От Офф-Топик
К All
Дата 20.06.2002 01:50:08
Рубрики Прочее; Современность; Спецслужбы;

История подвижной связи !!!!

Системы подвижной связи
Сегодня всему наступает пора,
Что бредом казалось вчера.

Эмиль Верхарн

Морская, сухопутная и воздушная подвижная связь
В начале XX века, на первом этапе развития радиотехники, радиосвязь начала развиваться как морская подвижная связь. В те годы этот вид связи являлся единственно возможным для организации связи судов между собой и с берегом. Фирмой "Маркони" в Великобритании, а затем и на предприятиях других стран (России, США, Франции и Германии) было организовано производство судовых искровых радиостанций. До 1904 года более пятидесяти судов военно-морского флота России было оснащено судовыми радиостанциями. Широкое внедрение средств судовой подвижной связи, существенно повышающей безопасность плавания, обусловило необходимость принятия международных правил радиообмена и стандартов на средства морской радиосвязи. Такие правила и стандарты были приняты на Первой Международной конференции по радиосвязи в Берлине в 1903 году. Техника морской подвижной связи развивалась и продолжает развиваться параллельно с техникой систем наземной связи.

Потребности в средствах наземной подвижной связи для оперативного управления действиями полиции привели в 1921 году к созданию в США первой диспетчерской системы телеграфной подвижной связи. По сути, это оказалась система пейджинговой связи, так как она была однонаправленного действия и служила для передачи распоряжений дежурным бригадам полиции.

На начальном этапе развития систем наземной подвижной связи в них использовались телеграфные режимы работы, а позже - телефонные режимы с применением для передачи сообщений AM. В 1940 году в США в диапазоне ОВЧ создается первая система подвижной связи с использованием ЧМ.

Эффективность наземной подвижной связи для управления в службах безопасности (полиция, пожарная служба, скорая помощь и т. п.), для управления работой транспорта и в других областях приводит к быстрому прогрессу в этой области. В 1948 году создается первая полностью автоматическая радиотелефонная система подвижной связи без участия диспетчера. В СССР серийный выпуск первых отечественных станций подвижной связи был налажен в 1952 году.

Хронология
1903 год Состоялась Первая Международная конференция по радиосвязи, на которой были приняты правила, определяющие рабочие частоты, предельные мощности передатчиков, порядок радиообмена судов между собой и с береговыми станциями.
1921 год Создана первая система однонаправленной подвижной радиотелефонной связи для полиции в г. Детройт (США).
1940 год Создана первая система подвижной связи с использованием ЧМ (США).
1948 год В г. Ричмонд внедрена первая полностью автоматическая радиотелефонная система связи, работающая без участия диспетчера (США).
1952 год Начат серийный выпуск первых отечественных станций подвижной связи разработки Воронежского научно-исследовательского института связи (СССР).


Во второй половине XX века появляются и параллельно развиваются различные виды подвижной связи: системы пейджинговой (поискового радиовызова - ПРВ), транкинговой и сотовой связи, а также системы беспроводного абонентского доступа. Рассмотрим историю развития каждой из этих технологий отдельно.

Пейджинговые системы
Начало развития современных систем ПРВ общего пользования можно отнести к 1956 году, когда была создана первая система "Multiton". В этой системе, которая для передачи сообщений использовала специально выделенный радиоканал, абонент имел малогабаритный приемник - пейджер, способный из общего потока сообщений, передаваемых по радиоканалу, выделить адресованный ему сигнал. При приеме этого сигнала в зависимости от принятой кодовой комбинации издавался звук определенного тона, услышав который абонент мог, нажав на кнопку, прослушать посланное ему речевое сообщение.

Позже, из-за необходимости улучшить эффективность использования радиоканала, отказались от передачи речевого сообщения. Вызов абонента включал тоновый звуковой сигнал пейджера, который извещал его о необходимости совершить определенные действия (например, позвонить по заранее определенному телефонному номеру). Системы пейджинговой связи, работающие в отдельном выделенном радиоканале, выпускались многими фирмами. Обычно ширина полосы канала составляла 25 кГц, и для передачи сигналов использовалась ЧМ. Для работы этих систем выделялись каналы в диапазоне частот от 50 до 900 МГц.

Важной вехой в развитии систем пейджинговой связи явилась разработка в 1976 году протокола POCSAG, принятого в качестве международного. В 1982 году впервые были разработаны пейджеры с дисплеем, на котором абонент мог увидеть посланное ему буквенно-цифровое сообщение. В системах ПРВ, использующих этот код, информация может передаваться со скоростью 512, 1200 либо 2400 бит/с.

Системы пейджинговой связи получили весьма широкое распространение и с целью экономии частотного ресурса в 1980 году возникла идея использовать для организации такой связи хорошо развитую сеть ОВЧ-ЧМ станций. Сигналы ПРВ передавались в эфир в составе вещательного сигнала на поднесущей частоте 57 кГц. Эта частота модулировалась с помощью ЧМ и была расположена по спектру выше верхней граничной частоты вещательного сигнала. Широкое внедрение таких систем, получивших название RDS (Radio Data System), началось во многих странах мира в 1987 году.

Первая отечественная разработка пейджинговой системы "Луч-1" Воронежским НИИ связи была завершена в 1988 году.

Начиная с 60-х годов создаются национальные и региональные сети ПРВ, охватывающие территории нескольких стран и предоставляющие абонентам услуги во всей зоне обслуживания. В 1969 году создана европейская система ЕВРОСИГНАЛ, которая была внедрена во Франции, Германии и Швейцарии. Позже была создана система ЕВРОПЕЙДЖ, охватившая территории Великобритании, Франции, Германии и Италии.

В 1992 году создается общеевропейская система ERMES (European Radio Message System), работающая в полосе частот 169.4 - 169.8 МГц. Эта система обеспечивает общеевропейский роуминг и высокую скорость передачи сигналов (6.25 Kбит/с). Она позволяет создавать сети очень высокой емкости для передачи разных видов сообщений, включая текстовые. Сети ERMES не получили широкого распространение ввиду сложности оборудования.

Фирмой "Моторола" в 1993 году был разработан для систем ПРВ протокол FLEX, обладающий повышенной помехоустойчивостью и имеющий набор возможных скоростей передачи сообщений (1.6, 3.2 и 6.4 Kбит/с). Основное достоинство этого протокола состоит в его гибкости - он обеспечивает высокую степень согласования с существующими системами ПРВ, в которых применяется протокол POCSAG. Кроме того, пейджеры FLEX за счет синхронного режима работы имеют увеличенный в 4-5 раз срок службы батарей пейджеров по сравнению с пейджерами POCSAG. В настоящее время 88 % абонентов всех пейджинговых сетей в мире используют протокол FLEX. В России ряд крупнейших пейджинговых компаний ("Весолинк", "Интерантенна", "Inform-Excom", "Мобайл Телеком") применяют этот протокол более чем в пятидесяти городах.

Хронология
1956 год Разработка первой пейджинговой системы "Multiton" (Великобритания).
1974 год Выпуск первых моделей радиопейджеров без дисплея (США).
1976 год Разработка пейджингового кода POCSAG, принятого в качестве международного (Великобритания).
1980 год Выпуск первых пейджеров с дисплеем (США - фирма "Моторола").
1980 год Создание первых опытных сетей RDS (Швейцария).
1980 год Создание первой в СССР сети ПРВ в Москве в период проведения Олимпиады.
1982 год Начало выпуска пейджеров с дисплеями, предназначенными для отображения буквенно-цифровых знаков.
1987 год Внедрение во многих странах пейджинговых систем RDS.
1988 год Разработка отечественной пейджинговой системы "Луч-1".
1992 год Разработка стандарта на систему ERMES (ETSI).
1993 год Разработка протокола пейджинговой связи FLEX.
1994 год Начало внедрения русифицированных пейджеров в сетях пейджинговой связи в России.

Транкинговые системы
Возможности широкого развития радиосвязи в первую очередь определяются наличием частотного ресурса. До 60-х годов в сетях подвижной связи использовался принцип закрепления имеющихся частотных каналов за отдельными абонентами сети. Это приводило к весьма неэффективному использованию выделенной для работы сети полосы частот. Идея создания так называемых транкинговых систем подвижной связи со свободным доступом любого абонента сети к любому из имеющихся незанятых каналов была предложена и реализована в 1957-1958 годах советскими учеными Б. П. Терентьевым, В. В. Шахгильдяном и А. А. Ляховкиным, создавшими систему подвижной связи с ФИМ. Эта система имела 10 рабочих каналов и работала в диапазоне частот 400 МГц. Позже в 1960 году ими же была разработана транкинговая система, в которой использовалась AM и частотное разделение каналов. Эта система имела высокую эффективность использования РЧС - по сравнению с системами с ЧМ в ней полоса частот канала связи, предоставляемая абоненту, была в 2-З раза меньше.

Для систем подвижной связи с ЧМ, которые получили наиболее широкое распространение, принцип построения транкинговых сетей был предложен в 1959 году специалистами Государственного проектного института радиосвязи и телевизионного вещания и Воронежского научно-исследовательского института связи. Эта идея была реализована в системах "Алтай" и "Алтай-2М", которые вплоть до недавнего времени эксплуатировались в России.

Транкинговые системы подвижной связи получили широкое распространение во всем мире. До середины 60-х годов развивались так называемые производственные системы подвижной связи (Private Mobile Radio - PMR), создаваемые отдельными организациями для удовлетворения своих потребностей в подвижной связи на ограниченных территориях.

С конца 60-х годов начинается интенсивное развитие сетей транкинговой связи как производственных, так и систем подвижной связи общего пользования (Public Access Mobile Radio - PAMR). Системы PAMR создаются операторами сетей подвижной связи на коммерческой основе и разворачиваются на обширной территории. Абонентам этих сетей предоставляется возможность связи не только с абонентами данной сети, но и с абонентами ТФОП.

В конце XX века становится необходимым создание глобальных сетей PAMR, которые охватили бы большие регионы, включающие ряд стран. Абоненты этих сетей должны иметь связь независимо от своего местонахождения и иметь возможность выхода на ТФОП. Это особенно необходимо для служб безопасности (полиция, таможенные службы), так как позволяет им предпринимать согласованные действия по пресечению деятельности преступных группировок и т. п.

Особенностями транкинговых систем являются: весьма незначительное время установления связи между абонентами, возможности осуществления группового вызова, установления непосредственной связи между терминалами абонентов без использования базовых станций сети и т. д.

Оборудование для транкинговых систем связи выпускается многими фирмами Европы и США. До 1995 года создавались аналоговые транкинговые системы, в которых передавались сигналы телефонии и применялась ЧМ. Ширина полосы частот одного канала составляла 25-30 кГц. Значительной вехой в развитии систем транкинговой связи явилась разработка спецификации МРТ-1327, которой руководствовались многие фирмы при выпуске оборудования. В последнее десятилетие XX века в США и Европе были разработаны цифровые системы транкинговой связи (TETRA - Trans European Trunked Radio. iDEN - integrated Digital Enhanced Netwok; EDACS - Enhanced Digital Access System и др.).

Стандарт на систему TETRA был разработан в 1992 году в ETSI. Для этой PAMR-системы выделено несколько полос частот в диапазоне частот ниже 1 ГГц, одна из которых (380-400 МГц) предназначена для создания сетей TETRA для европейских служб безопасности. В данной системе абонентам предоставляется услуга роуминга, и сегодня уже началось внедрение этой системы в ряде стран Западной Европы.

В системе TETRA в каждом частотном канале шириной 25 кГц с помощью ВУ передаются сигналы четырех абонентов. Таким образом, по спектральной эффективности эта система в четыре раза превосходит обычные системы с ЧМ. Помимо передачи речи в цифровой форме возможна передача данных со скоростью 7.2 Кбит/с (до 28 Кбит/с), допускается несколько уровней приоритета вызовов, групповые вызовы, срочные вызовы, передача пакетных данных, возможность непосредственной связи между абонентами, минуя базовую станцию (БС), и т. д.

Хронология
1957 год Разработана 10-ти канальная система транкинговой связи с ФИМ (СССР - Б. П. Терентьев, В. В. Шахгильдян, А. А. Ляховкин).
1960 год Разработана 10-ти канальная система транкинговой связи с AM, имеющая высокую эффективность использования РЧС (СССР - Б. П. Терентьев, В. В. Шахгильдян, А. А. Ляховкин).
1962 год Разработана система "Алтай" (СССР - А. П. Биленко, М. А. Шкуд, Л. Н. Моргунов, Г. З. Рубин, Г. А. Гринев, В. М. Кузьмин).
1964 год Начало развития дуплексных сетей подвижной связи (США).
1972 год Разработка транкинговой системы подвижной связи "Алтай-ЗМ" (СССР - А. П. Биленко, Л. Н. Моргунов, М. А. Шкуд, Г. З. Рубин, В. М. Кузьмин).
1981-1988 годы Разработка стандартов МРТ на транкинговые системы подвижной связи с ЧМ (Великобритания).
1992 год Разработка стандарта на цифровую систему транкинговой связи TETRA (ETSI).
1992 год Разработка цифровой системы транкинговой связи EDACS (США).
1994 год Начало выпуска оборудования системы стандарта IDEM (США).
1997 год Первый выпуск оборудования общеевропейской цифровой транкинговой системы связи стандарта TETRA (ETSI).

Сотовые системы
В 1947 году Д. Рингом, сотрудником знаменитой лаборатории, созданной изобретателем телефона Беллом (США), была выдвинута замечательная идея сотового принципа организации сетей подвижной связи. В таких сетях зоны обслуживания отдельных БС образуют соты, размер которых определяется территориальной плотностью абонентов сети. Частотные каналы, используемые для работы одной из БС сети, могут повторно распределяться по определенному закону для работы других БС, входящих в эту же сеть. Это обеспечивает высокую эффективность использования РЧС. В сотовых сетях абонент, перемещаясь из зоны действия одной БС в другую, может поддерживать непрерывную связь как с подвижным абонентом, так и с абонентом ТФОП. Такие сети охватывают обширные территории, и абонент, если он находится в зоне действия хотя бы одной из БС, входящей в общую сеть, может выйти на связь или его может вызвать другой абонент независимо от своего местоположения (услуга роуминга).

Через двадцать лет эта идея нашла свое воплощение в сотовых сетях подвижной связи общего пользования. Внедрение таких сетей начинается с 70-х годов, вначале в США, а позже в европейских странах, в Японии и в других регионах мира. Благодаря их созданию новые услуги подвижной связи стали доступными для сотен миллионов людей многих стран мира.

Первая аналоговая система сотовой подвижной связи первого поколения стандарта AMPS, предназначенная в основном для предоставления услуг телефонии, была развернута в США в 1979 году. Это была система с частотным дуплексом и МДЧР. Она получила распространение во многих странах мира. С некоторыми изменениями она была также позже внедрена в Великобритании и Японии. Система AMPS работает в диапазоне 800 МГц и использует две полосы частот шириной 25 МГц с дуплексным разносом 45 МГц.

В 1981 году в Скандинавских странах в диапазоне 450 МГц разрабатывается сотовая система связи первого поколения стандарта NMT-450, принципы построения которой подобны системе AMPS. Сети NMT-450 еще и сегодня работают во многих европейских странах. В 80-х годах создаются национальные системы сотовой связи первого поколения в Германии, Италии, Франции и происходит быстрый рост количества абонентов сотовых сетей. Для их развития начинает использоваться также и диапазон частот 900 МГц.

Несовместимость оборудования созданных в разных странах систем первого поколения делала невозможным предоставление абонентам этих сетей весьма важной услуги роуминга. Поэтому в 1982 году Скандинавские страны и Голландия выходят с предложением разработки в диапазоне 900 МГц регионального европейского цифрового стандарта сотовой связи (системы второго поколения). В этой системе, помимо услуг телефонии, абонентам должен предоставляться целый ряд услуг, связанных с передачей данных, - факс, короткие сообщения и т. п. Это предложение было поддержано всеми странами Западной Европы, и в 1989 году в ETSI был разработан стандарт на систему GSM. В следующем году, учитывая перспективы развития сотовой связи в Европе и во всем мире, этот же стандарт был принят для диапазона 1800 МГц. В 1991 году создаются опытные сети стандарта GSM и начинается его глобальное распространение по всему земному шару, в связи с чем аббревиатура GSM приобрела новую расшифровку -Global System for Mobile Communications. Пионером в создании таких сетей является Финляндия, в которой сегодня имеется рекордное число абонентов сетей сотовой связи (более 70 % населения).

Сети сотовой связи стандарта GSM были внедрены не только в Европе, но получили распространение и во многих странах мира. Разработка и широкое внедрение системы GSM ярко продемонстрировали, сколь высокой может быть эффективность международного сотрудничества в деле развития новой техники связи.

Принципы, положенные в основу системы GSM, позже использовались в ETSI при создании европейских систем поездной связи (U1C), транкинговой связи (TETRA), беспроводной связи (DECT). Они оказали влияние на разработку европейской системы подвижной связи третьего поколения (UMTS - Universal Mobile Telecommunication System).

Система AMPS также модернизируется, создается цифровая система D-AMPS, и выпускаются абонентские терминалы, которые могут работать как в аналоговых, так и в цифровых сетях данного стандарта. Применение системы D-AMPS позволяет увеличить емкость сотовой сети в тех местах, где аналоговые сети оказались перегруженными из-за увеличения количества абонентов.

В России сотовая связь начинает развиваться с 1991 года, когда в Санкт-Петербурге была развернута первая сеть скандинавского стандарта NMT-450. С 1994 года создаются сотовые сети американского стандарта AMPS, а с 1996 - европейского стандарта GSM-900. Сегодня в России созданы сети сотовой связи всех этих стандартов.

Знаменательной вехой в развитии систем сотовой подвижной связи является год 1989-й. В этом году фирмой "Qualcomm" (США) была завершена разработка новой цифровой системы второго поколения, использующей технологию СОМА. Эта технология в несколько раз повышала эффективность использования РЧС в сотовой связи и позволяла создавать сети весьма большой емкости. В США и в некоторых странах Азии эта технология получила применение, так как она позволяла при необходимости повысить емкость существующих сетей стандарта AMPS. В странах Западной Европы, в которых распределение полос частот между разными службами существенно отличается от стран Американского континента, сети на этой технологии не создавались. В них происходило интенсивное развитие сотовых сетей стандарта GSM. В России в 1997 году на основе технологии CDMA начали создаваться сети абонентского доступа.

Результаты маркетинговых исследований, выполненных во многих странах, показывали, что спрос на услуги сотовых сетей подвижной связи в ближайшие десятилетия будет расти весьма быстро.

В 1990 году в МСЭ и в региональных организациях стандартизации (ETSI - Европа, ARIB - Япония и ANSI - США) начинаются работы по созданию единого общемирового стандарта на оборудование систем подвижной сотовой связи третьего поколения IMT-2000 (International Mobile Telecommunication). В Европе разрабатывается система UMTS, относящаяся к семейству IMT-2000. Основная предпосылка для выполнения этих работ состояла в том, что на рубеже столетий пользователям мобильных систем станет необходимо предоставление таких же услуг, как и в фиксированной связи. Абонент в третьем тысячелетии, независимо от соединения с ТФОП по проводным или радиоканалам, будет пользоваться полным набором широкополосных услуг мультимедиа, обеспечиваемых глобальной информационной инфраструктурой.

В 1992 году на ВРК было принято решение о выделении в диапазоне 2 ГГц на всемирной основе полосы частот для развития систем сотовой подвижной связи третьего поколения. В сетях подвижной связи третьего поколения существенно возрастет скорость передачи сообщений: в сотовых и микросотовых сетях она составит до 380 Кбит/с, а в пикосотовых сетях, разворачиваемых внутри помещений, - до 2 Мбит/с. Для передачи сообщений по радиоканалу в этих сетях используются в основном системы с СОМА.

В процессе работ по созданию единого мирового стандарта на сети третьего поколения были рассмотрены десятки разных предложений, сделанных ведущими в мире компаниями - производителями телекоммуникационного оборудования. Достичь полного согласия в выборе единого стандарта не удалось. Причиной этого является то, что при разработке стандартов учитывается возможность Архитектура сети UMTS развития сетей нового поколения при максимальном использовании уже существующей инфраструктуры. За прошедшие годы в разных регионах мира сложилась различная инфраструктура сотовых сетей. Однако в настоящее время в МСЭ принято решение, согласно которому в будущем будут развиваться пять типов систем, основанных на предложениях региональных органов стандартизации Европы, США, Японии, Кореи и Китая. В МСЭ приняты решения, согласно которым в создаваемых сетях будет предусмотрена возможность осуществления глобального роуминга абонентов независимо от используемой системы третьего поколения в стране их проживания.

В ряде европейских стран уже выданы лицензии на создание сотовых сетей подвижной связи стандарта UMTS. Ввод их в коммерческую эксплуатацию должен состояться в 2002 году.

Хронология
1947 год Выдвинута идея создания сотовых сетей подвижной связи (США - Д. Ринг).
1974 год Начало разработки сотовых сетей подвижной связи общего пользования (США).
1979 год Создание системы сотовой подвижной связи стандарта AMPS (США).
1981 год Начало внедрения сотовых систем связи стандарта NMT-450 в Скандинавских странах (Дания, Швеция, Финляндия и Норвегия).
1982 год Начало разработки системы сотовой подвижной связи стандарта GSM (ETSI).
1985 год Начало исследований в МСЭ по созданию единой системы подвижной связи третьего поколения IMT-2000.
1989 год Разработка фирмой "Qualcomm" первой сотовой системы связи, использующей технологию СDМА (США).
1990 год Начало работ по созданию UMTS (ETSI).
1991 год Начало внедрения сотовых сетей подвижной связи в России.
1992 год Начало внедрения сетей GSM (Финляндия).
1992 год Выделение на всемирной основе полос частот в диапазоне 2 ГГц для создания систем подвижной связи третьего поколения.
1994 год Разработка стандарта D-AMPS (США).
1994 год Разработка проекта системы третьего поколения CODIT на основе технологии CDMA (ETSI).
1999 год В Финляндии выданы первые лицензии на создание наземных сетей UMTS.

Системы абонентского радиодоступа
Весьма важным направлением развития подвижной связи в конце XX века явилось создание систем абонентского радиодоступа (АРД).

В 1975 году американская фирма "Моторола" выпустила первый аналоговый беспроводной телефонный аппарат (СТ - Cordless Telephone). Этот аппарат позволял абоненту свободно передвигаться с радиотелефонной трубкой в радиусе около 100 метров от базовой платформы, подключенной проводом к ТФОП. Связь радиотелефонной трубки с платформой осуществлялась по радиоканалу в диапазоне 40-80 МГц с помощью ЧМ.

В 1988 году была разработана аналоговая многоканальная система СТ-1 с МДЧР, частотным дуплексом (ЧД) и ЧМ, работавшая в диапазоне 864-868 МГц. Абонент этой системы имел свободный доступ к сорока частотным каналам шириной 100 кГц и также мог перемещаться в радиусе порядка 100 метров от БС, подключенной к ТФОП.

Через несколько лет в том же диапазоне частот была создана цифровая система СТ-2 с МДЧР и временным дуплексом (ВД), при котором в одном частотном канале, имевшем ширину 100 кГц, на одном временном интервале осуществляется передача пакета сообщений от абонента к БС, а на следующем - от БС к абоненту. Для передачи сообщений использовалась гауссовская частотная модуляция с минимальным сдвигом. Стандарт СТ-2, который был принят ETSI, во многих странах Европы применялся для создания системы "Telepoint", предназначенной для одночастотной связи подвижных абонентов с абонентами ТФОП. В этой системе допускались лишь исходящие вызовы подвижных абонентов.

На принципах, положенных в основу системы СТ-2, позже были разработаны многоканальные системы с МДВР: DCT-900 (Швеция) в диапазоне 900 МГц и DECT (Digital European Cordless Telecommunications). Стандарт на систему DECT был опубликован ETSI в 1992 году. Эта система работает в диапазоне частот 1880-1900 МГц, разделенном на десять радиоканалов, в каждом из которых обеспечивается прием и передача двенадцати цифровых каналов с ВД. Выпуск оборудования стандарта DECT начался в 1996 году.

В 1995 году были завершены разработки: в США в диапазоне 2 ГГц системы PACS (Public Access Communication System), а в Японии в диапазоне 1.5 ГГц системы PHS (Personal Handphone System).

В цифровых системах АРД речевые сигналы с помощью АДИКМ преобразуются в цифровой поток со скоростью передачи 32 Кбит/с.

Сети АРД стандарта DECT сегодня весьма интенсивно развиваются в странах Европы. В ближайшее время этот стандарт в ETSI будет доработан и обеспечит такой же набор услуг высокоскоростной связи, какой будет предоставляться в пикосотовых сетях подвижной связи третьего поколения.

Хронология
1975 год Начало разработки беспроводных телефонов СТ-0, которые позволяли абонентам во время разговора свободно передвигаться по квартире (США).
1988 год Разработка аналоговой многоканальной системы беспроводного доступа СТ-1 с ЧД (Великобритания).
1990 год Разработка цифровых многоканальных систем беспроводного доступа СТ-2 (Великобритания) и DCT-900 с ВД (Швеция).
1992 год Разработка цифровой многоканальной системы беспроводного доступа стандарта DECT с ВД (ETSI).
1995 год Разработка в США системы PACS (Public Access Communication System) и в Японии системы PHS (Personal Handphone System).
1996 год Начало выпуска оборудования стандарта DECT (ETSI).

Системы воздушной подвижной связи
Хотя профессиональные системы воздушной подвижной связи начали создаваться еще в 20-х годах, первая коммерческая национальная система воздушной подвижной связи общего пользования "Airfone" была создана в США в 1980 году. Эта система давала возможность пассажирам самолетов устанавливать и поддерживать через установленные на территории страны БС связь с любым абонентом сети ТФОП. Прямо во время полета пассажиры могли решать проблемы, связанные с заказом такси, гостиниц, билетов на все виды транспорта, вести деловые переговоры, посылать факсы. В США все пассажирские самолеты, летающие на внутренних линиях, оснащены системой "Airfone".

В 1992 году на ВРК были выделены полосы частот 1670-1675 МГц (Земля - самолет) и 1800-1805 МГц (самолет - Земля) для системы TFTS (Terrestrial Flight Telecommunications System), разработанной в ETSI. Система поддерживает 164 радиоканала шириной в 30 кГц и обеспечивает международный роуминг. Разработан план размещения БС на территории всех европейских стран. В настоящее время в четырех странах Западной Европы (Великобритании, Франции, Италии и Швеции) установлены шесть наземных станций для проведения опытной эксплуатации этой системы. Сейчас более 260 самолетов Швеции, Франции и Великобритании оснащены оборудованием системы TFTS. Полное развертывание этой системы произойдет в первом десятилетии XXI века.

Хронология
1980 год создание коммерческой системы воздушной подвижной связи "Airfone" (США).
1992 год выделение на ВРК-92 полос частот для развития системы воздушной подвижной связи TFTS.

Этапы развития сетей наземной подвижной связи
Подвижная связь получила в XX веке, особенно в его последней четверти, колоссальное развитие. Оно началось с создания систем, обслуживающих нужды полиции и муниципальных служб, а также различные производственные нужды.

В начале 80-х годов, после создания сотовых сетей, этот вид связи получает массовое применение, и количество абонентов в сетях подвижной связи начинает стремительно увеличиваться. Сегодня сети сотовой подвижной связи в разных частях земного шара имеют около 650 миллионов абонентов.

За прошедшие сто лет наземная подвижная связь прошла следующие основные этапы развития:

внедрение в подвижную связь ЧМ (1940 г.);
создание первых сетей ПРВ общего применения (1956 г.);
создание первых транкинговых систем со свободным доступом всех абонентов сети к имеющемуся частотному ресурсу (1972 г.);
внедрение первых систем абонентского доступа (1975 г.);
внедрение сотовых аналоговых систем подвижной связи с высокой эффективностью использования выделенной полосы частот (1979 г. - AMPS; 1981 г. - NMT-450);
внедрение систем воздушной подвижной связи общего пользования (1980 г.);
внедрение цифровых систем подвижной связи (1992 г. - GSM; 1995 г. - СDМА).
Начало 80-х годов знаменательно также тем, что страны Западной Европы начинают проводить согласованную техническую политику развития систем радиосвязи и вещания. В ETSI разрабатывается серия стандартов на оборудование систем подвижной связи (GSM, TETRA, ERMES, DECT, TFTS и др.).

Система GSM, работающая в диапазонах 900 и 1800 МГц, явилась первой крупномасштабной коммерческой цифровой сотовой системой, достигшей в короткое время широкого мирового успеха. Сегодня имеется около трехсот пятидесяти сетей GSM, действующих в ста тридцати странах. В 2001 году ожидается, что эти сети будут обслуживать семьсот миллионов пользователей. В некоторых странах количество абонентов сотовых сетей становится соизмеримым с числом абонентов ТФОП. Быстро растет и количество абонентов сетей транкинговой связи. Согласно исследованиям ETSI, в конце XX века в Европе оно составит свыше восьми миллионов.

В ответ на потребности внутреннего европейского рынка директивами Европейского совета намечены меры по широкому внедрению в европейских странах сетей GSM, DECT и ERMES. В 1994 году Европейская комиссия приняла Зеленую книгу по мобильной персональной связи, в которой европейскими странами установлены принципы общей технической политики развития подвижной связи на ближайшие десятилетия.

Спутниковая подвижная связь
Весьма перспективным направлением развития подвижной связи общего пользования является создание спутниковых систем. Такие системы позволяют обеспечить связью обширные регионы с низкой плотностью населения, в которых создание наземных сотовых систем подвижной связи является экономически неоправданным. Они начали

развиваться в последние два десятилетия XX века и, без сомнения, получат в XXI веке весьма широкое распространение, так как позволяют обеспечить глобальную подвижную связь (сухопутную, в том числе в труднодоступных районах с низкой плотностью населения, морскую и воздушную). Одной из первых подобных систем явилась созданная в 1967 году в США опытная система "TATS".

Важной особенностью создания этих систем является то, что реализация многих из них осуществляется при международной кооперации финансовых, промышленных и интеллектуальных ресурсов входящих в эту кооперацию стран.

В 1979-1982 годах была создана и введена в эксплуатацию система спутниковой подвижной связи первого поколения "Инмарсат". Эта система эксплуатируется международной организацией "Инмарсат", в которой участвуют восемьдесят шесть стран, в том числе и Россия. Система использует 4-5 ИСЗ, находящихся на геостационарных орбитах (ГО), и обеспечивает (за исключением полярных областей) глобальное обслуживание абонентов на всей территории Земли. Она создавалась для организации морской подвижной связи, однако применяется также для сухопутной и воздушной подвижной связи, и сегодня в ней работают более чем сто сорок три тысячи земных станций спутниковой связи. Терминалами этой системы оснащены тридцать пять тысяч судов мирового флота.

Высокая актуальность создания и внедрения систем глобальной подвижной персональной связи (GMPCS - Global Mobile Personal Communication Systems) привела к необходимости разработки в рамках МСЭ общих принципов международной регламентации применения таких систем.

Был предложен ряд международных и национальных проектов создания подобных систем, построенных на основе спутников связи, находящихся на негеостационарных орбитах (НГО). Применение НГО спутников позволяет, в сравнении с ГО спутниками, существенно уменьшить задержку в канале связи, что весьма существенно для передачи речевых сообщений, снизить энергетику линии, что позволяет значительно уменьшить габариты и вес абонентского терминала, а также использовать абонентские терминалы с ненаправленными антеннами.

Первой системой GMPCS явилась система "Иридиум", предложенная в 1985 году. В те годы данный проект выглядел грандиозным и весьма сложным. В системе планировался запуск 88 спутников, расположенных на 11 равноудаленных друг от друга орбитальных плоскостях (позже в реализованной системе было использовано 66 ИСЗ). В этой системе впервые были организованы межспутниковые связи между двумя соседними ИСЗ одной орбиты и смежных орбитальных плоскостей, ее бортовой ретранслятор обеспечивал обработку и коммутацию каналов и т. п. Для передачи сигналов использовалась технология передачи сигналов, аналогичная той, которая используется в системе сотовой подвижной связи стандарта GSM, применяется временной дуплекс, а скорость передачи сообщений составляла от 2.4 до 9.6 Кбит/с.

Система "Иридиум" в 1998 году была реализована в полном объеме и обеспечивала передачу речевых и факсимильных сообщений, данных и сигналов пейджинга, обеспечивалась также передача навигационных сигналов GPS (Global Position System). К сожалению, при вводе ее в эксплуатацию был допущен ряд маркетинговых просчетов, и она не смогла набрать необходимое число абонентов. Одной из причин этого явилось то, что за 6-7 лет, прошедших с начала разработки проекта "Иридиум", произошло весьма быстрое развитие сухопутных сетей сотовой связи, которые охватили значительные территории многих стран. В конце 1999 года компания "Иридиум" потерпела банкротство и прекратила свое существование. Несмотря на коммерческую неудачу проекта "Иридиум", его реализация является крупнейшим научным и техническим достижением XX века. Уникальный опыт, который был приобретен при создании этой системы, безусловно будет использован при реализации еще более грандиозных проектов спутниковой связи.

В 1991 году была выдвинута идея создания более простой, нежели система "Иридиум", системы "Глобалстар", а еще через несколько лет (в 1994 г.) из компании "Инмарсат" выделилась компания ICO (Intermediate Circular Orbit), которая приступила к созданию системы подвижной спутниковой связи с тем же названием. Эти системы, так же как и система "Иридиум", используют НГО спутники. В них предполагается предоставлять в основном те же услуги, что и в системе "Иридиум".

В системе "Глобалстар" используется такой же радиоинтерфейс МДКР, какой используется в американской системе сухопутной сотовой связи; связь обеспечивается в диапазоне частот 1.6-2.5 ГГц с помощью 50 земных станций и 48 спутников связи, расположенных в 8 плоскостях на низких НГО орбитах.

В ICO применяется радиоинтерфейс МДВР, аналогичный тому, который применяется в системе GSM. Связь с сетью общего пользования обеспечивается с помощью 12 земных станций и 10 спутников связи,

находящихся в двух плоскостях на средних НГО орбитах. Для работы на б полярных орбитах системы ICO выделены полосы частот в диапазоне 1.9-2.1 ГГц, который предназначен для развития сетей подвижной связи третьего поколения.

Проекты систем "Глобалстар" и ICO наиболее близки к завершению, и в самом начале XXI века они станут предоставлять услуги своим абонентам. В создаваемых системах за счет применения "многорежимных" абонентских трубок будет предусмотрена возможность их работы в действующих наземных сетях сотовой связи существующих стандартов. Ожидается, что к 2010 году общее число абонентов спутниковых сетей подвижной связи составит 25 миллионов.

Помимо упомянутых систем, в ряде стран разрабатываются другие проекты систем спутниковой подвижной связи общего пользования, а также специализированные системы спутниковой подвижной связи, предназначенные для контроля над состоянием и местоположением транспортных средств, обеспечения связи в чрезвычайных ситуациях, осуществления экологического и промышленного мониторинга и т. п. Некоторые из них уже реализованы, и начата их эксплуатация.

Хронология
1967 год создание опытной линии связи "TATS" для связи с подвижными объектами (США).
1982 год ввод в эксплуатацию международной геостационарной системы "Инмарсат", обеспечивающей сухопутную, морскую и воздушную подвижную связь.
1985 год начало работ над проектом "Иридиум".
1990 год создание системы "Skyphone" для организации воздушной подвижной связи через ИСЗ системы "Инмарсат".
1991 год начало разработки системы "Глобалстар".
1994 год начало разработки системы ICO.
1998 год ввод в эксплуатацию низкоорбитальной системы подвижной спутниковой связи "Иридиум", применяющей технологию GSM.
1999 год ввод в эксплуатацию низкоорбитальной системы подвижной спутниковой связи "Глобалстар".
2000 год планируется ввод в эксплуатацию низкоорбитальной системы подвижной спутниковой связи ICO.

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения
От Офф-Топик
К Офф-Топик (20.06.2002 01:50:08)
Дата 20.06.2002 01:51:42

История фиксированной связи




Системы фиксированной связи
Медленно начинает история свой бег от невидимой точки, вяло совершая вокруг нее свои обороты, но круги ее все растут, все быстрее и живее становится полет, наконец, она мчится, подобно пылающей комете, от звезды к звезде, часто касаясь старых своих путей, часто пересекая их, и с каждым оборотом все больше приближается к бесконечности.

Карл Маркс

Системы связи, работающие в диапазонах низких, средних и высоких частот
В начале XX века в области радиосвязи было сделано замечательное и неожиданное открытие, которое противоречило всем существовавшим в то время представлениям о возможностях создания протяженных линий радиосвязи. В 1901 году опытным путем сотрудниками фирмы Маркони была установлена связь на линии протяженностью 3500 километров. Знаменитые ученые Кеннели (США) и Хэвисайд (Великобритания) для объяснения данного эксперимента выдвинули гипотезу о том, что Земля окружена ионизированной оболочкой, находящейся на высоте нескольких сот километров и отражающей падающие на нее радиоволны на значительные расстояния.

Другим важнейшим достижением начала этого века, определившим на многие десятилетия развитие радиотехники, явилось создание электронных приборов диода и триода. Первые два десятилетия XX века развитие радиосвязи сопряжено в основном с развитием передающей, приемной и антенной техники. Хотя возможность передачи по радиоканалу сигналов речи была установлена, как отмечалось выше, еще в 1906 году, до начала 20-х годов передача телеграфных сигналов осуществлялась вручную ключом Морзе, а прием - на слух.

Актуальными задачами совершенствования систем радиосвязи являлись повышение скорости телеграфирования и одновременная передача по радиоканалу нескольких сообщений. В начале 20-х годов инженеры активно работали над внедрением в радиосвязь буквопечатающих телеграфных аппаратов.

В СССР первые исследования в этом направлении были проведены известным русским инженером А. Ф. Шориным. Подобные разработки продолжались и в последующие годы. В 1938 году советские инженеры В. И. Керби и В. В. Новиков разработали шестиканальную систему передачи по радиоканалам телеграфных сигналов, в которой предусматривалось при плохом прохождении радиоволн повторение одних и тех же сигналов в нескольких каналах данной системы (принцип французского инженера Вердана).

До 1924 года считалось, что для радиосвязи и вещания возможно использовать лишь низкие (НЧ) и средние (СЧ) волны. Диапазон радиоволн с частотой выше 200 кГц был предоставлен в распоряжение радиолюбителей. Эпохальным событием для развития радиосвязи и вещания явилась установленная в 1924 году радиолюбителями возможность организации на высоких частотах (ВЧ) в диапазоне частот до 30 МГц надежной радиосвязи на многие тысячи километров. С этого момента во многих странах мира начинают разрабатываться системы для ВЧ линий, и они в течение нескольких десятилетий становятся основным видом дальней радиосвязи. В СССР первая линия дальней ВЧ связи была построена в 1927 году.

Одной из важных особенностей ВЧ канала связи (а также радиоканалов в других диапазонах частот) является многолучевой характер распространения радиоволн, в результате которого возникают замирания уровня принимаемого сигнала. В 1925 году английскими инженерами Г. Бевереджем и Г. Питерсоном было сделано открытие метода борьбы с замираниями принимаемого сигнала путем приема сигналов на разнесенные в пространстве антенны. Оно имело исключительно большое значение для дальнейшего развития техники приема сигналов. С тех пор разнесенный прием широко применяется в системах связи разных назначений. Развитию теории и техники разнесенного приема с использованием разнесения сигналов по частоте, пространству и поляризации посвящены сотни теоретических и экспериментальных работ.

Совершенствование систем ВЧ связи шло по пути создания однополосных многоканальных систем связи, применения в них методов частотного и временного уплотнения, внедрения систем передачи сигналов с ЧМн, ДЧТ и ОФМ и разработки специальных методов обработки речевых сигналов (вокодеров и радиокомпандеров - устройств, сжимающих динамический диапазон речевых сигналов).

Применение в 1943 году на ВЧ линиях для передачи фототелеграфа ЧМн обеспечивало существенное повышение помехоустойчивости. С середины 50-х годов этот метод стал применяться при передаче метеорологических карт на линиях ВЧ и НЧ связи в США, Канаде и Японии.

В 1947 году в СССР создается система двойного частотного телеграфирования (ДЧТ), предложенная академиком А. Н. Щукиным еще в 1933 году. В этой системе для передачи двух телеграфных каналов впервые использовался простейший многопозиционный сигнал, и, в зависимости от комбинации передаваемых в каналах символов, в эфир излучалась одна из четырех частот. В течение многих лет эта система эксплуатировалась на линиях ВЧ связи в СССР. В 1969 году этот метод передачи нашел дальнейшее развитие в созданной в Великобритании системе многочастотной манипуляции "Пиколо", в которой использовались 32 частоты. Эта система давала значительный выигрыш в помехоустойчивости по сравнению с обычной ЧМн.

В 1953 году известным голландским специалистом ван Дюреном - в течение многих лет (1948-1970) он возглавлял Третью Исследовательскую комиссию МККР - для ВЧ линий связи с ЧМн создается новый метод передачи телеграфных (цифровых) сигналов с автозапросом ARQ (Automatic Request Queuing). Метод состоял в том, что для передачи сообщений использовались коды, обнаруживающие ошибки, а на приеме при обнаружении ошибок осуществлялся автоматический запрос передатчика на повторение кодовых комбинаций, принятых с ошибками. Системы ARQ позволяли существенно повысить помехоустойчивость линий ВЧ связи при передаче цифровой информации и широко использовались на линиях ВЧ связи. В 1963 году подобная система была разработана в СССР.

В 1958 году были созданы две принципиально важные для дальнейшего развития радиосвязи новые системы - "Кинеплекс" и "Рейк".

Синхронная система "Кинеплекс" была создана для частотного уплотнения телефонного канала связи сигналами тональной телеграфии. В ней достигалась весьма высокая эффективность использования полосы частот за счет того, что разнос частот между соседними поднесущими, для модуляции которых использовалась ОФТ, был минимален и равнялся 1/Т, где Т - длительность элементарной посылки. Эта система обеспечивала передачу информации в телефонном канале шириной 3.4 кГц со скоростью 3000 бит/с.

В СССР подобная система разрабатывалась позднее в Ленинградском электротехническом институте связи. В этой системе предусматривались применение кодов, исправляющих ошибки, а также адаптация скорости передачи сообщений к условиям распространения радиоволн в ВЧ канале. Подобные принципы позднее были заложены в современную систему COFDM, о которой упоминалось выше и которая сегодня находит широкое применение во многих системах радиосвязи и вещания.

Система "Рейк" замечательна тем, что была открыта на "кончике пера" - путем синтеза оптимальной системы приема в многолучевом канале связи на основе теории потенциальной помехоустойчивости. В этой системе применялись широкополосные сигналы, что позволяло разделять отдельные лучи. Их когерентное сложение устраняло влияние замираний сигналов на качество приема. Аналогичные системы позднее создавались также для тропосферных каналов связи. Принципы, заложенные в систему "Рейк", получили широкое применение в радиорелейных, спутниковых и сотовых системах подвижной связи второго и третьего поколений, в которых применяются ШПС.

С середины 60-х годов появляется ряд разработок адаптивных систем связи, в которых осуществляется оптимальный прием сигналов в условиях межсимвольной интерференции. Эти системы позволяли устранить межсимвольные искажения, возникающие в канале связи из-за ограниченной полосы частот, и существенно повысить скорость передачи сигналов. Адаптивные компенсаторы межсимвольной интерференции и системы оптимального приема сигналов в условиях многолучевости разрабатывались как в нашей стране, так и за рубежом.

В 90-е годы подобные устройства нашли применение во многих системах: в системах сотовой подвижной связи, в цифровых радиорелейных системах связи с высокой скоростью передачи и т. п.

Важным усовершенствованием систем ВЧ связи, предназначенных для передачи сигналов телефонии, стало создание в 1965 году системы "Линкомпекс", в которой применялось компандирование речи. В этой системе осуществлялось выделение огибающей передаваемого сигнала, которая передавалась в узкой полосе частот на поднесущей методом ЧМ. Выделенная огибающая сигналов речи на передаче управляла работой компандера, осуществлявшего сжатие динамического диапазона передаваемого сигнала. На приеме эта огибающая выделялась и управляла работой экспандера, с помощью которого восстанавливался принятый отраженных от метеорных следов речевой сигнал. Позже эта система совершенствовалась. В СССР было разработано подобное оборудование, в котором применялась новая система эхоподавления. В Канаде для повышения помехоустойчивости передачи огибающей сигнала речи использовались две поднесущие, модулированные по частоте и разнесенные на 1 кГц.

Позже на ВЧ линиях стали применяться вокодеры, что давало значительный выигрыш в помехоустойчивости приема речевых сигналов по сравнению с обычно применяемой в радиотелефонии аналоговой системой передачи с ОБП. В вокодере, разработанном в 1978 году в СССР, впервые при синтезе речи на приеме использовались цифровые методы.

Радиосвязь на ВЧ имеет ряд серьезных недостатков и не может обеспечить высоконадежную связь, так как она подвержена сильному влиянию возмущений ионосферы, требует смены рабочих частот в течение суток, сезона года и периода солнечной активности.

В середине 50-х годов начинают исследоваться и создаваться линии связи, использующие другие механизмы распространения: рассеяние радиоволн на неоднородностях ионосферы (ИР) (в слоях D и Е и в спорадическом слое Es) и прерывистые механизмы рассеяния от метеорных следов в ионосфере (МР). На существование таких механизмов указывали исследования английского ученого Т. Л. Эккерслея, выполненные еще в 1929 году.

В отличие от радиосвязи на ВЧ, связь с помощью ИР и МР слабо подвержена влиянию ионосферных возмущений и позволяет создать линии большой протяженности с высокой надежностью связи в течение всего года. Линии ИР, работающие в диапазоне частот 30-60 МГц, начали создаваться в конце 50-х - начале 60-х годов. В СССР работы по созданию таких линий выполнялись под руководством Н. Н. Шумской с участием В. В. Вязникова и Я. А. Фикса. Была построена линия ИР, которая действовала на трассе Мурманск - Москва.

В 1955-1957 годах создаются первые линии метеорной связи в Канаде, США и других странах. Первая система МР "Джанет" работала в диапазоне частот 30-50 МГц на трассе протяженностью около 1000 км, имела передатчики мощностью в 500 вт, разнос между частотами передачи и приема составлял 1 МГц, а средняя скорость передачи информации была равна примерно 150 бит/с (максимальная скорость составляла 300 бит/с).

В конце 60-х годов в СССР также были созданы (под руководством А. А. Магазаника) две линии метеорной связи Норильск - Красноярск и Салехард - Тюмень, которые находились в эксплуатации около десяти лет.

В 1968 году в США создается система COMET (Communication by Meteor Trails) метеорной системы связи с ARQ протяженностью 2000 километров и с пропускной способностью 4-8 телеграфных каналов.

В 80-х годах создаются автоматизированные системы, обеспечивающие надежную ВЧ радиосвязь в диапазоне 2-30 МГц на ближние, дальние и сверхдальние (до 2000 км) расстояния. В этих системах, в зависимости от качества канала связи, возможна передача сообщений со скоростью от 75 до 2400 бит/с с высокой помехоустойчивостью. Современные технические средства ВЧ радиосвязи и их модульная архитектура позволяют создавать системы сухопутной и морской связи самого различного назначения.

С помощью этих систем можно организовать:

линии двухсторонней радиотелефонной связи по принципу "каждый с каждым" с возможностью выхода в общегосударственную либо учрежденческую телефонную сеть;
системы дипломатической связи, передачу метеопрогнозов и т. п.;
передачу низкоскоростных данных, текстовых сообщений, двоичных файлов, факсов и качественных цветных и черно-белых изображений;
объединение территориально разнесенных локальных вычислительных сетей.
Хронология
1901 год Установление трансатлантической связи на расстоянии 3500 км между Полдью и Ньюфаундлендом (Великобритания - Г. Маркони).
1904 год Изобретение вакуумного диода (США - Дж. А. Флеминг).
1907 год Изобретение триода (США - Ли де Форест).
1922 год Эксперименты по применению буквопечатающих аппаратов Бодо и Уитстона для радиосвязи между Москвой и Нижним Новгородом (СССР - А. Ф. Шорин).
1923 год Создание трансатлантической линии радиотелефонной связи (США - А. А. Арнольд и Л. Эспельншиид).
1924 год Открытие возможности установления дальней связи на радиоволнах короче 200 м (США - радиолюбители).
1925 год Разработка системы разнесенного приема для борьбы с замираниями сигналов (Великобритания - Г. Бевередж и Г. Питерсон).
1927 год Организация первой в СССР линии магистральной ВЧ радиосвязи Москва - Ташкент (СССР - М. А. Бонч-Бруевич, В. В. Татаринов).
1928 год Начало научных исследований возможностей использования диапазона дециметровых волн.
1938 год Разработка шестикратной системы Бодо с применением принципа Вердана (СССР - В. И. Керби и В. В. Новиков).
1939 год Ввод в эксплуатацию на Октябрьском передающем радиоцентре в Москве системы однополосной многоканальной радиосвязи на ВЧ (СССР - В. А. Котельников, А. В. Черенков, А. Ф. Ганин).
1941 год Создание системы передачи на ВЧ сигнала фототелеграфа с помощью двойной модуляции (частотной модуляции поднесущей частоты и амплитудной модуляции несущей частоты передатчика) (США).
1943 год Разработка системы передачи на ВЧ сигнала фототелеграфа с помощью ЧМн несущей частоты передатчика (СССР - А. А. Магазанник).
1947 год Создание системы связи, использующей ДЧТ (СССР - И. Ф. Агапов).
1953 год Изобретение системы связи с переспросом (ARQ) и исследования ее помехоустойчивости (Голландия - Г. К. ван Дюрен).
1957 год Создание первой системы метеорной связи "Джанет" (США - П. Форсит, Е. Воган, Д. Хансен и К. Хайнс).
1958 год Создание системы "Рейк", использующей широкополосные сигналы для разделения отдельных лучей в ВЧ канале (США - Р. Прайс и П. Е. Грин).
1958 год Создание системы связи с повышенной эффективностью использования выделенной для нее полосы частот "Кинеплекс" (США - Р. Мозиер и Р. Глобоут).
1959 год Создание оборудования первой линии ионосферного рассеяния (США - А. Коль).
1961-1980 годы Разработка оптимальных адаптивных компенсаторов межсимвольных помех в многолучевом канале связи (Германия - Е. Кеттель; США - М. Диторо, Р. Люки, Проукис и Миллер; СССР - Д. Д. Кловский, Б. И. Николаев, Д. Л. Коробков).
1963 год Разработка системы "Ламбда", аналога системы ARQ (СССР - Е. С. Горбунов, П. Н. Муравчик, Ю. Г. Шемалев).
1965 год Создание системы "Линкомпекс" с компандированием речи (Великобритания).
1968 год Разработка системы МС-5 - аналога системы "Кинеплекс" для ВЧ связи (СССР - A. M. Заездный, Ю. Б. Окунев и др.).
1968 год Создание системы метеорной связи COMET (США - З. Дж. Бартоломе, И. Г. Вогт).
1969 год Создание системы "Пиколо", использующей многопозиционную частотную манипуляцию (Великобритания - Д. Бейли, Дж. Ралфс).
1971 год Разработка радиокомпандера "Арка", аналогичного системе "Линкомпекс" (СССР - В. Е. Бухвинер, А. А. Пирогов, М. М. Рыжков).
1972 год Разработка для ВЧ связи вокодера "Гармония-C" на скорость передачи речи 4.8 Кбит/с (СССР - В. Е. Муравьев).
1978 год Разработка системы "Синкомпекс", аналогичной системе "Линкопекс" (Канада - М. С. Чоу, Б. Д. МакЛарнон).
1983 год Создание цифровых высокоскоростных систем ВЧ связи с автоматическим выбором оптимальных рабочих частот и коррекцией переходной характеристики канала связи (США, Германия, Франция).


Этапы и перспективы развития систем радиосвязи, работающих в диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ
Многие принципы построения систем радиосвязи, которые позже широко использовались при создании современных систем радиорелейной, спутниковой и подвижной радиосвязи, были установлены при проведении разработок систем ВЧ связи. Системы ВЧ связи в течение нескольких десятилетий были единственным средством создания линий дальней радиосвязи, и поэтому они нашли широчайшее применение во всем мире. Это вызвало чрезмерную загрузку ВЧ диапазона и серьезно обострило проблему помех между различными системами связи, работающими в этом диапазоне частот. Основные этапы развития таких систем состоят в следующем.

Первые двадцать лет XX столетия - в этот период закладываются основные принципы построения передающих, приемных и антенных радиотехнических устройств.

20-30-е годы - создаются радиолинии с применением буквопечатающей телеграфной многоканальной аппаратуры с ВУ и ЧУ, разрабатываются системы разнесенного приема, существенно повышающие надежность радиосвязи, осваивается диапазон ВЧ и внедряются многоканальные системы с ОБП, по которым передаются сигналы телефонии, фототелеграфии и телеграфии.

40-е годы - создаются системы передачи цифровых сигналов с применением ЧМн и ДЧТ.

50-е годы - создаются системы радиосвязи с повышенной помехоустойчивостью и надежностью: системы ВЧ связи с автозапросом информационных блоков, в которых на приеме были обнаружены ошибки (ARQ), системы ионосферного и метеорного рассеяния, система "Рейк", использующая широкополосные сигналы для разделения отдельных лучей в многолучевом канале (последние три вида систем широкого практического применения в ВЧ связи не получили).

60-70-е годы - создаются системы типа "Линкомпекс", в которых для повышения качества приема сигналов телефонии применяется глубокая компрессия речевого сигнала и передача его огибающей с помощью ЧМ на поднесущей; в ВЧ связи начинается применение вокодеров; разрабатываются системы типа "Кинеплекс" и системы с адаптивной коррекцией межсимвольной интерференции; создается система "Пиколо", в которой применялись многопозиционные сигналы.

80-е годы - создаются цифровые системы ВЧ связи, обеспечивающие аппаратными средствами, встроенными в приемопередающую аппаратуру, возможность автоматически регулировать (в соответствии с изменениями состояния ионосферы) рабочую частоту и настройку антенн; в этих системах применяются высокоскоростные модемы с адаптивной коррекцией переходной характеристики многолучевого канала связи и осуществляется адаптация к уровню радиопомех в канале связи. В будущем, по-видимому, диапазон ВЧ станет использоваться только для звукового вещания, а также, в некоторых случаях, для организации подвижной связи в регионах с низкой плотностью населения. Потребности в линиях связи, работающих в диапазонах частот ниже 50-60 МГц, значительно уменьшатся из-за развития современных средств радиосвязи, обладающих гораздо более высокой надежностью и пропускной способностью, - радиорелейных и особенно спутниковых систем абонентского доступа.

Радиорелейные линии связи
Принцип релейной связи, позволяющий организовать передачу сообщений на значительные расстояния путем ее переприема в промежуточных пунктах, известен с глубокой древности. Релейная линия связи состоит из цепочки последовательно соединенных однопролетных соединительных линий, в которой на промежуточных пунктах может происходить выделение передаваемых по линии сообщений, их ретрансляция или введение новых сообщений. Первая государственная сеть релейных станций подобного рода - оптический телеграф Шаппа - была создана во Франции еще в XVIII веке. После изобретения радио в 20-х годах XX века инженеры начали предлагать создание систем радиорелейной связи.

По-видимому, первый патент на систему радиорелейной связи был получен в СССР в 1921 году В. И. Коваленковым. В 1923 году в США компанией RCA создается первая двухпролетная радиорелейная линия (РРЛ), работающая на частоте 182 кГц. В ней применялась ОБП, и она служила для передачи сигналов телеграфии. В 1929 году М. А. Бонч-Бруевичем был разработан проект радиорелейной линии связи для передачи радиотелефонных сообщений на ВЧ. Однако серьезное развитие радиорелейная связь получает только с освоением диапазона метровых волн.

В 1931 году в диапазоне метровых волн создается первая однопролетная линия прямой видимости (РРЛ) через пролив Па-де-Кале. В СССР в 1932-1934 годах также была разработана приемопередающая аппаратура, работающая на метровых волнах, и созданы опытные линии связи Москва - Кашира и Москва - Ногинск. В США в 1934 году была построена РРЛ для передачи ТВ сигналов, полоса которых составляла 250 кГц. Эта РРЛ работала на частоте 100 МГц.

С 1939 года для передачи как сигналов ТВ, так и сигналов телефонии начали создаваться РРЛ с ЧМ. Для передачи многоканальной телефонии в таких системах применялось частотное уплотнение. В 1940 году была создана семиканальная РРЛ между Миланом и Кампо-дель-Фиоре (Италия), работающая на частоте 500 Мгц. В 40-х годах в США, Великобритании, Франции и Германии были развернуты работы по созданию РРЛ с ЧМ, по которым можно было передать до десяти телефонных (ТФ) каналов.

Наряду с разработкой радиорелейных многоканальных систем, использующих непрерывные виды модуляции, выдвигаются идеи применения в радиорелейной связи импульсных видов модуляции (ИМ) и временного разделения каналов. Интересно отметить, что эти идеи появляются еще задолго до того, как становится возможной и актуальной их реализация. Достоинством систем с ИМ является простота оборудования для объединения и разделения отдельных каналов.

Одна из первых идей о применении ИМ для передачи непрерывных сообщений была высказана еще в 1919 году И. Г. Фрейманом, предложившим использовать для осуществления такого преобразования катодно-лучевую трубку. Академик А. Л. Минц в 1930 году получил авторское свидетельство на импульсную систему радиотелефонной связи с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Экспериментальная система многоканальной связи с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) испытывалась в СССР в 1937 году.

С середины 40-х годов начинают применяться многоканальные РРЛ с импульсными видами модуляции (РРЛ-ИМ). Первая подобная восьмиканальная система, работающая в диапазоне 5 ГГц, была создана фирмой Вестерн-Электрик в 1944 году.

Разработка и внедрение РРЛ-ИМ в СССР начались с 1945 года. Значительную роль в этом сыграли работы В. И. Сифорова, Н. М. Изюмова, Я. Д. Ширмана, Ф. П. Липсмана, Г. В. Длугача, С. В. Бородича, Г. А. Малолепшего и других. В СССР выпускались РРЛ-ИМ с импульсно-фазовой модуляцией с числом ТФ каналов от одного до двадцати четырех. Эти РРЛ работали в диапазонах частот от 70 до 2000 МГц.

Оборудование РРЛ, предназначенных для передачи сигналов ТВ и большого числа ТФ каналов, создавалось на основе применения ЧМ и ЧУ. Первое отечественное оборудование "Краб" в метровом диапазоне, разработанное в 1953-1954 годах, было использовано для создания РРЛ Красноводск - Баку. Позже была создана двенадцатиканальная аппаратура "Стрела-П", использующая полосу частот 1600-2000 МГц. В 1958 году была разработана первая отечественная РРЛ с ЧМ - Р60/120, работавшая в диапазоне 2 ГГц и позволявшая передавать до 120 ТФ каналов или один канал телевидения. В создании отечественных РРЛ значительную роль сыграли ведущие специалисты Научно-исследовательского института радио: В. А. Смирнов, Е. С. Штырен, С. В. Бородич, В. П. Минашин, А. В. Соколов, Н. Н. Каменский и другие. Аналоговые РРЛ с ЧМ получили весьма широкое распространение во всем мире и постепенно осваивали диапазоны 4, 6, 8 и 11 ГГц.

В начале 50-х годов была открыта возможность создания систем связи, использующих механизм распространения радиоволн путем тропосферного рассеяния. Эти системы давали возможность создания тропосферных РРЛ (ТРРЛ), в которых расстояние между соседними станциями значительно превосходило расстояние между соседними станциями РРЛ прямой видимости и доходило до 800 километров. Это позволяло развертывать такие линии в малонаселенных и труднопроходимых регионах, в которых создание РРЛ прямой видимости оказывалось невозможным либо очень дорогостоящим.

В ТРРЛ протяженность одного пролета составляла 200-600 километров, применялись антенны с большим коэффициентом усиления (до 40 дБ), мощные передатчики (до 10 кВт) и разнесенный прием. Эти системы создавались в диапазоне частот 800-4000 МГц. Их пропускная способность доходила до ста пятидесяти телефонных каналов. В 1957 году была созданы ТРРЛ между Испанией и Италией, США и Канадой, а также в других странах.

В СССР первую отечественную аппаратуру ТРРЛ создали в 1963 году. На этом оборудовании была построена сеть ТРРЛ "Север" протяженностью 14 000 километров. Ее пропускная способность составляла 60 ТФ каналов. Эта сеть постоянно модернизировалась, и в 1981 году ее пропускная способность возросла до ста двадцати ТФ каналов. Инициатором и руководителем первых работ по созданию отечественных ТРРЛ был С. В. Бородин. В этих разработках активно участвовали И. А. Гусятинский, А. С. Немировский, И. С. Цирлин, В. В. Плеханов, Г. М. Холодилин и другие. С развитием систем спутниковой связи значение ТРРЛ для организации связи в отдаленных районах уменьшилось.

Во второй половине XX столетия начинают разрабатываться и внедряться системы связи, в которых применяются цифровые методы передачи сигналов. В России на основе изобретения Л. А. Коробкова в 1947 году создается цифровая двенадцатиканальная однопролетная цифровая линия связи Москва - Раменское протяженностью 30 километров, в которой применялась дельта-модуляция. Этот год можно считать началом создания цифровых систем многоканальной радиосвязи, которые в конце XX века начали интенсивно внедряться во все сферы электросвязи. В 1948 году фирма "Белл" создала первую экспериментальную многоканальную цифровую систему связи с ИКМ.

Начиная с середины 70-х годов начинают создаваться цифровые РРЛ, позволяющие в одном стволе передавать цифровые потоки со скоростью 2, 8, 32 Мбит/с.

На первом этапе для внедрения цифровых методов передачи использовались существующие аналоговые РРЛ с ЧМ, для которых разрабатывались специальные модемы, позволяющие с использованием двухполярной либо четырехуровневой модуляции со скремблированием передать один либо два цифровых потока со скоростью передачи 8 Мбит/с в нижней части группового спектра РРЛ. Были разработаны также модемы, с помощью которых, одновременно с аналоговыми сигналами многоканальной телефонии или ТВ, на поднесущей, расположенной выше спектра аналогового сигнала, цифровые сигналы передавались методом ОФМ со скоростью передачи 2 Мбит/с.

В США первая цифровая РРЛ с ИКМ была создана в 1962 году. В СССР первые цифровые РРЛ с ИКМ в диапазоне частот выше 10 ГГц начали создаваться в 1978 году. В цифровых РРЛ первого поколения для передачи сигналов применялись простые методы модуляции: ЧМн, ОФМ либо ДОФМ.

На современном этапе развития систем фиксированной радиосвязи быстрыми темпами происходит внедрение цифровых методов передачи сообщений. Такие радиосистемы в ряде случаев оказываются экономически существенно эффективнее по сравнению с кабельными и оптоволоконными системами.

Имеются четыре вида основных применений РРЛ, для которых в последние двадцать лет в ряде стран был налажен выпуск оборудования.

Создание достаточно протяженных магистральных систем высокоскоростной связи со скоростью передачи вплоть до 622 Мбит/с. В современных магистральных РРЛ широко применяется КАМ и РКМ, обладающие весьма высокой помехоустойчивостью. Для увеличения спектральной эффективности таких систем в них начиная с 80-х годов, применяются адаптивные компенсаторы межсимвольных помех. Кроме того, в этих системах используется уплотнение имеющихся частотных каналов по поляризации и для устранения возникающих при этом кросс-поляризационных помех применяются адаптивные компенсаторы. Такие РРЛ обычно используют диапазоны частот 1-14 ГГц.

Создание линий связи для поддержки определенной инфраструктуры (например, для подключения базовых станций сотовых сетей связи к мобильному коммутатору, подачи ТВ программ на головные станции систем кабельного ТВ, соединения широкополосными радиолиниями большого числа терминалов, расположенных внутри здания на ограниченной площади, и т. п.). Такие линии обычно создаются в диапазонах частот 14-38 ГГц.

Создание сетей абонентского доступа, предназначенных для непосредственного подключения абонентов к сети телефонной связи общего пользования (ТФОП). Подобные РРЛ создаются в диапазонах частот 14-60 ГГц. В сельских районах с низкой плотностью населения, когда эта сеть должна охватывать значительный регион, для ее создания могут использоваться полосы частот в диапазоне ниже 1 ГГц. Для создания сетей абонентского доступа используются сотовые РРЛ и системы связи типа пункт - много пунктов (П-МП).

В сотовых РРЛ применяется МДВР, и их базовые станции (БС) разворачиваются в отдельных населенных пунктах на обширных территориях в регионах с низкой плотностью населения. Расстояния между БС может составлять несколько десятков километров. В этих сетях в зонах обслуживания БС предусмотрена возможность беспроводного доступа групп абонентов к отдельным каналам каждого из радиостволов РРЛ. В этих зонах устанавливаются и ретрансляционные станции, с помощью которых осуществляется объединение БС в единую сеть, подключенную к сети ТФОП. С помощью подобных систем возможно подключение к районным автоматическим телефонным станциям (АТС) до 60 тысяч абонентов, проживающих на территории 20-30 тысяч квадратных километров. Данные системы нашли широкое применение для организации связи в сельских районах с низкой плотностью населения во многих странах.

Системы связи типа П-МП могут использоваться как для создания сетей широкополосного абонентского доступа к автоматическим телефонным станциям, так и для подключения территориально распределенных компьютерных сетей к центральному серверу и т. п. Подобные системы находят применение как в городах, так и в сельских районах.

К системам типа П-МП относятся и системы распределения ТВ программ центральной станции как непосредственно к абонентам, так и к головным станциям кабельного ТВ. Такие системы были разработаны в диапазонах 2. 5 и 29 ГГц. Первая из них - MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Systems) - имеет радиус зоны обслуживания до 40 километров, и в ней используется AM. Она является аналоговой и имеет 33 канала шириной 6 МГц. Вторая - LMDS (Local Multipoint Distribution Systems) -имеет радиус зоны обслуживания до 6 километров, и в ней используется ЧМ. Она занимает полосу частот 2 ГГц и имеет значительно большую емкость по сравнению с системой MMDS.

В Европе в диапазоне 40 ГГц была разработана весьма перспективная система MVDS (Multipoint Video Distribution Systems), аналогичная системе LMDS. В этой системе в зоне обслуживания одной базовой станции для каждого абонента можно организовать передачу 24 широкополосных (40 МГц) каналов.

В настоящее время системы MMDS, LMDS и MVDS усовершенствованы, и в них появилась возможность организации обратного канала связи от абонентов к центральной станции, что значительно расширяет возможности этих систем, так как появляется возможность их использования для подключения абонентов к ТФОП, к сети Интернет, предоставления интерактивных услуг и т. п.

Организация локальных соединительных сетей связи внутри помещений. Такие системы позволяют заменять кабельные линии связи, при необходимости устанавливать множественные широкополосные соединения между разными видами оборудования, расположенного на небольших (до 500 м) расстояниях друг от друга. В Европейском институте телекоммуникационных стандартов (ETSI) в диапазоне 5 и 17 ГГц в 1998 году разработана система Hiperlan (High Perfomance Radio Local Area Network). В ней возможна передача данных на больших скоростях: 10, 25 Мбит/с и выше. В данной системе возможна организация связи подвижных терминалов между собой без использования базовых станций или какой-либо другой фиксированной инфраструктуры. Это весьма ценно при установлении временных соединений или в случаях, когда невозможно установить фиксированное оборудование. Аналогичные системы, работающие в диапазонах 2. 4 и 5 ГГц, разработаны в США.

Хронология
1921 год Изобретение радиотрансляций для передачи сигналов на большие расстояния (СССР - В. И. Коваленков).
1923 год Создание первой в мире двухпролетной РРЛ с AM для передачи сигналов телеграфии (США).
1929 год Разработка технического проекта радиорелейной системы связи на ВЧ (СССР - специалисты Нижегородской радиолаборатории под руководством М. А. Бонч-Бруевича).
1931 год Создание первой однопролетной РРЛ прямой видимости для передачи сигналов телефонии через пролив Па-де-Кале (Франция - Великобритания).
1934 год Создание РРЛ для передачи ТВ сигналов (США).
1937 год Создание экспериментальной системы многоканальной связи с АИМ (СССР - С. Н. Кокурин).
1939 год Создание многоканальной РРЛ с ЧМ для передачи сигналов ТВ и телефонии (США).
1940 год Создание семиканальной РРЛ между Миланом и Кампо-дель-Фиоре, работающей на частоте 500 Мгц (Италия).
1944 год Создание в диапазоне 5 ГГц восьмиканальной РРЛ с ФИМ (США - фирма "Вестерн-Электрик"),
1947 год Создание первой в мире двенадцатиканальной цифровой РРЛ с дельта-модуляцией и ВУ (СССР - Л. А. Коробков).
1948 год Создание экспериментальной многоканальной системы передачи сигналов с ИКМ и ВУ по кабельным линиям связи (США).
1950 год Исследования помехоустойчивости многоканальной системы связи с временной частотно-импульсной модуляцией (СССР - Е. Ф. Тищенко).
1952 год Исследования помехоустойчивости многоканальной системы передачи сообщений с ФИМ (СССР - Г. В. Длугач).
1954 год Разработка многоканальной системы с ФИМ-ЧМ (США - С. Метзгер).
1955 год Создание первой системы связи, использующей механизм рассеяния радиоволн в тропосфере (США).
1958 год Исследования помехоустойчивости многоканальной системы передачи сообщений с ФИМ-ЧМ (СССР - Г. А. Малолепший).
1962 год Создание цифровой РРЛ с ИКМ (США, Германия).
1963 год Создание сети ТРРЛ "Север" (СССР).
1975 год Разработка модемов для передачи цифровых сигналов по аналоговым РРЛ с ЧМ (США, Канада, Япония, Китай, Франция, Германия, Италия; СССР - В. М. Минкин).
1976 год Разработка системы MMDS для распределения ТВ программ (США).
1978 год Разработка и начало внедрения систем фиксированной связи, предназначенных для организации сетей абонентского доступа (США, Франция, Япония).
1978 год Начало создания в СССР цифровых РРЛ с ИКМ.
1981-1984 годы Разработка для цифровых высокоскоростных радиорелейных систем адаптивных корректоров межсимвольных помех (США).
1982 год Разработка и начало внедрения систем фиксированной связи, предназначенных для связи одного пункта с многими пунктами (США, Франция, Япония).
1982 год Разработка адаптивных компенсаторов кросс-поляризационных помех для РРЛ (США).
1983 год Разработка цифровых высокоскоростных радиорелейных систем с использованием КАМ (США, Япония).
1984 год Разработка системы LMDS для распределения ТВ программ (Великобритания).
1989 год Разработка цифровых высокоскоростных радиорелейных систем с использованием решетчатой кодовой модуляции (РКМ) (США, Япония, Италия).
1989 год Разработка системы MVDS для распределения ТВ программ (Великобритания).
1997 год Выделение на ВРК-97 полосы частот 47.2-47.5 ГГц для организации сети РРЛ высокой плотности с помощью стратосферной системы связи (США, Португалия, Италия, Франция).
1998 год Разработка в диапазонах 5. 3 и 17 ГГц системы Hiperlan (ETSI).


Этапы развития систем радиорелейной связи
Начало развития радиорелейной связи относится к 20-м годам XX столетия, и сегодня этот вид связи продолжает развиваться весьма высокими темпами. Отметим основные этапы этого развития:

20-е годы - первые проекты создания радиорелейных линий связи в диапазонах средних и длинных волн, создание на средних волнах первой РРЛ для передачи сигналов телеграфии и фототелеграфии;

30-40-е годы - создание опытных малоканальных РРЛ на метровых волнах с использованием ЧМ и импульсных видов модуляции, передача по РРЛ сигналов малокадрового ТВ, создание первой цифровой многоканальной системы передачи ТФ сигналов с применением дельта-модуляции и ИКМ;

50-е годы - разработка в диапазоне 2 ГГц магистральных РРЛ с ЧМ, позволяющих передавать до 120 ТФ каналов и сигналы ТВ, начало стандартизации параметров РРЛ в МСЭ, разработка малоканальных РРЛ с ФИМ для местной связи, создание ТРРЛ, с помощью которых организуются сети радиорелейной связи в труднодоступных регионах;

60-е годы - разработка первой цифровой РРЛ с ИКМ, создание магистральных аналоговых РРЛ с ЧМ и числом ТФ каналов до 1920, освоение диапазонов частот до 10 ГГц, развитие сетей ТРРЛ;

70-е годы - создание первого поколения цифровых РРЛ, использующих специальные модемы для передачи цифровых сигналов в стволах аналоговых РРЛ; создание цифровых РРЛ, работающих в диапазонах частот выше 10 ГГц и использующих для передачи сигналов ЧМн, ОФМ и ДОФТ; разработка сотовых РРЛ с многостанционным доступом, обеспечивающих возможность организации беспроводного доступа к сети связи общего пользования на обширных территориях с низкой плотностью населения;

80-е годы - создание РРЛ типа П-МП и их применение для организации систем эфирного распределения ТВ программ, разработка современных цифровых высокоскоростных магистральных РРЛ с КАМ и РКМ;

90-е годы - разработка широкополосных локальных распределительных систем типа Hiperlan.

В XXI веке аналоговые РРЛ быстрыми темпами будут заменяться цифровыми. Некоторые полосы частот в диапазоне ниже 1 ГГц будут использоваться для организации малоканальных протяженных РРЛ в сельской местности. В настоящее время в Европе в этом диапазоне частот действуют почти 130 тысяч радиорелейных станций. Ожидается быстрое развитие сетей РРЛ в диапазонах высоких частот до 30 ГГц. Полосы частот от 1 до 3 ГГц будут постепенно высвобождаться от систем фиксированной службы в целях развития сетей подвижной и спутниковой связи. В течение ближайших пяти лет в Европе общее число РРЛ возрастет на 35%. Особенно большой рост числа развернутых РРЛ будет происходить в диапазонах частот выше 20 ГГц. В XXI веке получат широкое развитие РРЛ в миллиметровом диапазоне частот, вплоть до 60 ГГц. Такие РРЛ с передатчиками малой мощности позволят при необходимости быстро организовывать короткие и весьма дешевые соединительные линии. Их предполагается, в частности, использовать в качестве соединительных линий для базовых станций сетей подвижной связи третьего поколения.

Системы широкополосного абонентского доступа типа П-МП и сотовые РРЛ будут создаваться в диапазонах частот выше 30 ГГц. Кроме того, получат развитие системы, предназначенные для создания сотовых сетей распределения ТВ программ. Для подобных систем выделены полосы частот в диапазонах до 60 ГГц.

Весьма интересным и многообещающим является проект организации глобальной сети РРЛ высокой плотности "Sky-Station". Этот проект по своему замыслу аналогичен проекту создания глобальной системы спутниковой связи "Teledeisic", о котором подробнее будет сказано ниже. В системе "Sky-Station", для которой в МСЭ используется аббревиатура HAPS (High Altitude Platform Station) вместо спутников Земли используется в качестве ретранслятора связная платформа, размещенная на дирижабле, поднятом на высоту более двадцати километров над Землей.

В этом ретрансляторе осуществляется обработка сигналов и используется многолучевая антенная система. Такая система позволяет обслужить до 3 миллионов абонентов в зоне обслуживания одной стратосферной станции, имеющей радиус порядка 500 километров. С помощью двухсот пятидесяти таких платформ возможно полное покрытие поверхности Земли этой системой. Абонентские терминалы позволят передавать и принимать потоки данных со скоростью от 64 до 2000 Кбит/с. Абоненты будут пользоваться всеми услугами, предоставляемыми сетью связи общего пользования и сетью Интернет. Подобная система оказывается почти на порядок дешевле системы "Teledesic", которую также планируется ввести в эксплуатацию в начале XXI века.

Системы спутниковой связи
Возможности создания современных систем спутниковой связи были заложены первыми теоретическими работами, выполненными еще в начале XX века К. Э. Циолковским (Россия, 1901 г.) и Р. Годардом (США, 1903 г.), по созданию ракетной техники и искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Протяженность трассы радиорелейной линии связи растет с увеличением высоты подвеса антенны ретранслятора. Идеи создания радиорелейной линии связи с переотражением ретранслируемых сигналов от космических тел возникла у ученых задолго до того, как появилась возможность их технической реализации.

В 1943 году в СССР академики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси выполнили теоретические расчеты, показавшие возможность создания линии связи с использованием Луны в качестве пассивного ретранслятора. В США в 1956 году была создана опытная система радиотелефонной связи между Вашингтоном и Гавайскими островами, в которой сигналы отражались от поверхности Луны. Эта линия имела небольшую пропускную способность, и в ней использовался передатчик мощностью 100 Вт, работавший на частоте 430 МГц. Линия находилась в эксплуатации до 1962 года. Несколько позже (в 1965 г.) в СССР также были проведены опыты по передаче фототелеграфных изображений через Луну.

Идея использования искусственных спутников, находящихся на геостационарных орбитах, для организации глобальных систем связи и вещания была выдвинута в 1945 году американским ученым и знаменитым писателем Артуром Кларком. В 1955 году известный американский ученый Дж. Р. Пирс публикует расчетные данные, позволяющие оценить технические параметры систем спутниковой связи.

Возможность создания систем спутниковой связи появилась только в 1957 году после запуска созданного под руководством академика С. П. Королева первого искусственного спутника Земли. Это эпохальное событие в истории человеческой цивилизации дало мощный толчок в развитии многих новых направлений науки и техники, в том числе и радиосвязи. Почти сразу же после первого запуска искусственного спутника Земли создаются экспериментальные линии спутниковой радиосвязи.

В 1958 году в США запускается первый активный экспериментальный спутник "Атлас-Скор" на эллиптическую орбиту и через него организуется опытная радиосвязь. Через несколько месяцев после его запуска появилась историческая статья американских ученых Дж. Р. Пирса и Р. Компфнера, в которой были даны технические основы создания надежной трансокеанской связи с помощью ИСЗ.

Всего несколько лет понадобилось для реализации крупных технических проектов. В этот период были запущены:

пассивный спутник связи "Эхо", выполненный в виде тонкостенного отражающего радиоволны шара диаметром несколько десятков метров, и "Вест-Форд", образованный поясом толщиной порядка 20-30 километров из нескольких сот миллионов диполей "иголок" длиной 2 сантиметра (от создания линий связи на пассивных ИСЗ в дальнейшем отказались, так как они имели узкую полосу частот линии связи и требовали применения на Земле весьма мощных передатчиков и чувствительных приемников);
активный спутник-ретранслятор "Телстар", находившийся на негеостационарной орбите, с помощью которого осуществлялась передача сигналов телевидения и многоканальной телефонии между Европой и Америкой;
геостационарный спутник-ретранслятор "Синком".
Спутниковые системы связи, в которых использовались пассивные спутники, имели серьезные недостатки: весьма высокую энергетику линий и узкую полосу пропускания. Из-за этого линии спутниковой связи с 60-х годов начали создаваться исключительно с использованием активных спутников.

Для создания национальной сети спутниковой связи в СССР в 1965 году на высокоэллиптическую орбиту выводится ИСЗ "Молния-1", через который была организована передача сигналов телефонии и телевидения между Москвой и Владивостоком.

Поскольку на первом этапе развития спутниковых систем (60-е годы) широко использовалась ЧМ с большим индексом модуляции, то в это время проводятся многочисленные разработки различных устройств снижения порога приема ЧМ сигналов. Применение таких устройств позволяло существенно снизить необходимую энергетику спутниковых линий связи.

В этот же период создаются экспериментальные и действующие системы спутниковой связи, в которых используются различные методы многостанционного доступа: МДЧР, МДВР и МДКР. В системах МДЧР первое время используется ЧМ. Разрабатываются системы многостанционного доступа типа один канал на несущую (ОКН) и многоканальные системы, в которых на каждой несущей частоте передается несколько телефонных каналов (МКН).

Позднее в системах спутниковой связи начинают применяться цифровые методы передачи сигналов. Применяются методы модуляции ФМн, ОФМ, ММС, коды, корректирующие ошибки, и другие. Для повышения эффективности использования каналов связи применяются методы сокращения избыточности звуковых и телевизионных сообщений, методы подавления несущей в паузах речи, разделение сигналов, передаваемых в одном частотном канале, по поляризации и другие. Важным этапом развития спутниковых систем связи стали разработки систем "SPADE" (ИКМ-ОКН) и "SMAX" (ИКМ-МДВР). Подобные разработки проводятся в разных странах.

В СССР первая линия цифровой связи, соединившая Москву с городами Дальнего Востока, была введена в эксплуатацию в 1977 году. Она имела скорость передачи 40 Мбит/с и позволяла передавать 120 дуплексных ТФ каналов.

В конце 60-х годов разрабатываются спутниковые ретрансляторы с обработкой сигналов на борту, которые позволяют существенно повысить пропускную способность спутниковых систем, применяя в них коммутационные матрицы и многолучевые антенны. Коммутационные матрицы путем соответствующей коммутации принятых временных пакетов на разные временные позиции в кадре передаваемого сигнала обладают большим быстродействием и позволяют осуществлять маршрутизацию обрабатываемых сигналов на борту спутника, связывая абонентов, расположенных в зонах обслуживания одного и того же или разных лучей.

Системы с коммутацией сигналов на борту спутника весьма перспективны, так как позволяют существенно уменьшить сложность земного сегмента. Применение этой технологии для организации линий связи позволяет избежать многоскачковых соединений и уменьшать задержки передаваемых сообщений. Коммутация сигналов на борту ИСЗ для организации межспутниковых линий связи нашла применение в системе спутниковой подвижной связи "Иридиум", она заложена в проекте системы глобальной спутниковой связи "Teledesic", реализация которого намечена на начало XXI века.

Разработанные в 60-70-е годы технологии связи находят широкое применение в создаваемых во многих странах спутниковых системах.

В СССР в 70-х годах создаются различные системы многостанционного доступа:

аналоговые системы (система ОКН "Градиент-Н" и МКН "Группа" с ЧУ-ЧМ);
цифровая система "МДВУ-40" с временным уплотнением со скоростью передачи сообщений 40 Мбит/с;
цифровая система ОКН "Интерчат", аналогичная американской системе "SPADE", обеспечивающая передачу в одном стволе до 800 каналов связи со скоростью передачи сообщений 64 Кбит/с. Эта система была разработана совместно советскими и венгерскими специалистами;
система цифровой спутниковой связи ДКН-400, в которой применялась адаптивная дифференциальная ИКМ.
В создании отечественных систем спутниковой связи значительную роль сыграли А. Д. Фортушенко, Н. В. Талызин, С. В. Бородич, Л. Я. Кантор, М. Ф. Решетнев, М. С. Немировский, В. Л. Быков, В. М. Дорофеев, А. П. Биленко, Н. И. Калашников, М. Д. Венедиктов, Е. Ф. Камнев, М. Р. Капланов, И. С. Цирлин, В. М. Цирлин, В. П. Кокошкин, Г. Н. Чернявский и другие. Важные при проектировании спутниковых систем связи программы для расчета зон обслуживания геостационарных спутниковых систем были разработаны в 80-х годах Л. М. Машбицем.

Спутниковая связь развивается во всем мире весьма быстрыми темпами. Совершенствование техники спутниковой связи позволило в 1984 году создавать небольшие необслуживаемые земные станции (ЗС) цифровой спутниковой связи с антеннами с малой апертурой (VSAT-Very Small Aperture Terminal), которые позволяют развертывать массовые сети спутниковой связи, аналогичные сетям РРЛ типа П-МП. Новая техника обеспечивает достаточно высокую скорость передачи информации (до 2 Мбит/с) и позволяет отдельным пользователям сетей VSAT предоставить, наряду с традиционными, значительное количество современных услуг связи (Интернет, видеоконференцсвязь, видеотелефония и т. д.). Сети VSAT создаются в диапазонах 6-4, 14-11 и 30-20 ГГц, выделенных для фиксированной спутниковой службы.

Начиная с 1984 года, за пятнадцать лет своего развития, количество введенных в эксплуатацию ЗС сетей VSAT в мире составило около трехсот тысяч.

Сети спутниковой связи имеют глобальный характер и требуют при создании весьма значительных инвестиций. Это диктует необходимость объединения ресурсов многих стран для развития подобных систем.

В 1965 году создается первая международная организация спутниковой связи "Интелсат", которая объединяет 143 страны. Глобальная система спутниковой связи "Интелсат" имеет сегодня 17 ИСЗ и 130 земных станций в разных регионах мира. В этой системе возможны организация сетей связи общего пользования, передача видеосигналов, создание магистральных линий связи большой емкости и корпоративных сетей связи и т. п.

В 70-х годах создается ряд других международных организаций спутниковой связи:

организация "Интерспутник", объединяющая в настоящее время двадцать три страны Восточной Европы, Азии и страны СНГ и предоставляющая сегодня пользователям возможность организации сетей ТВ и 3В вещания, передачу телефонии, данных, видеоконференций, сетей VSAT. Эта организация имеет 8 спутников связи и 70 земных станций в разных странах мира;
организация "Евтелсат", объединяющая пятьдесят стран Европы, Азии, Африки и Америки. Она имеет 15 ИСЗ, с помощью которых обеспечивается организация тысяч корпоративных сетей, передача сигналов телефонии и данных, а также 550 ТВ каналов на 75 миллионов приемных установок во многих частях мира.
За последние двадцать пять лет был создан также ряд региональных систем спутниковой связи: "ПанАмСат", "Орион", "Арабсат", "Азиасат" и другие. В 90-х годах национальные сети спутниковой связи были созданы в Канаде, России, США, Франции, Китае, Японии, а также во многих других странах.

Хронология
1943 год Проведены теоретические расчеты, показавшие возможность создания линии связи с использованием Луны в качестве пассивного ретранслятора (СССР - Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси).
1945 год Выдвинута идея использования геостационарных ИСЗ для организации глобальных систем связи и вещания (США - А. Кларк).
1955 год Выполнены первые расчеты, позволяющие оценить технические параметры систем спутниковой связи (США - Дж. Р. Пирс).
1956 год Создание опытной линии связи с использованием Луны в качестве пассивного ретранслятора (США).
1957 год Осуществлен запуск первого в мире ИСЗ (СССР - С. П. Королев).
1958 год Создана опытная линия связи через активный экспериментальный спутник "Атлас-Скор", находящийся на эллиптической орбите (США).
1960 год Произведен запуск первого пассивного спутника связи "Эхо" (США).
1962 год Произведен запуск первого активного спутника-ретранслятора "Телстар", с помощью которого осуществлялась передача сигналов телевидения и многоканальной телефонии между Европой и Америкой (США).
1962-1970 годы Разработка устройств для снижения порога при приеме сигналов с ЧМ (США - Дж. Г. Чаффи; СССР - Л. Я. Кантор, В. М. Дорофеев, Ю. А. Афанасьев и др.).
1963 год Запуск первого геостационарного спутника связи "Синком" (США).
1964 год Создание опытной спутниковой системы с МДВУ-ИКМ (США -фирма "COMSAT").
1964 год Создание спутниковой системы связи с МДКР-ИКМ (США - Г. Блэсбарг, Д. Фридман, Р. Киилер).
1965 год Организация линии связи Москва - Владивосток для ретрансляции сигналов телефонии и телевидения через спутник "Молния-1", находящийся на высокоэллиптической орбите (СССР).
1965 год Опытные передачи фототелеграфных изображений через Луну, используемую как пассивный ретранслятор (СССР - С. В. Бородич, И. А. Гусятинский, А. С. Немировский).
1965 год Создание международной организации спутниковой связи "Интелсат".
1967-1968 годы Разработка аналоговых систем МДЧР "Градиент-Н" и "Группа" (СССР - Л. Я. Кантор, О. С. Тихонов, В. И. Дьячков, В. М. Дорофеев).
1969 год Создание системы ОКН "SPADE"-МДЧР-ИКМ (США - А. Верс).
1971 год Создание системы ОКН "Интерчат"-МДЧР-ИКМ (СССР - Л. Я. Кантор, В. М. Дорофеев).
1970 год Создание системы "SMAX"-МДВР-ИКМ (Япония - С. Накамура, С. Кондо. Ю. Иноге).
1970 год Анализ ретрансляторов с обработкой сигнала на борту ИСЗ (США - Р. Хуан, Ф. Хутен).
1971 год Создание международной организации спутниковой связи "Интерспутник".
1975 год Разработка бортового ретранслятора для первого советского геостационарного ИСЗ "Радуга", работающего в сети "Орбита-2" (СССР - А. Д. Фортушенко, М. В. Бродский, А. И. Островский, Ю. М. Фомин и др.).
1977 год Создание международной организации спутниковой связи "Евтелсат".
1978 год Создание системы МДВР-40 (СССР - В. М. Цирлин, Г. Х. Паньков, В. М. Дорофеев, М. М. Симонов).
1984 год Начало развертывания сетей спутниковой связи VSAT (США).
1985 год Создание национальной спутниковой сети для сельской связи с использованием МДКР (Япония).
1988 год Создание системы ДКН-400 (СССР - В. М. Дорофеев, Ю. Ф. Коновалов, С. Н. Дерюгин, А. В. Минин).


Этапы и перспективы развития систем спутниковой связи
В развитии спутниковых систем можно выделить следующие основные этапы.

40-е годы: выдвижение идей создания линий спутниковой связи и первые расчеты, позволяющие оценить их основные параметры.

Конец 50-х - начало 60-х годов: создание первых экспериментальных линий спутниковой связи (с использованием вначале пассивных, а затем активных ИСЗ, расположенных на негеостационарных и геостационарных орбитах).

60-е и начало 70-х годов: разработка различных методов многостанционного доступа (МДЧР, МДВР, МДКР), разработка систем, использующих аналоговые и цифровые методы передачи сообщений, различные методы сокращения их избыточности, разработка методов коммутации сигналов на борту спутника.

Последние тридцать лет XX века характеризуются существенным расширением применений технологий спутниковой связи и созданием международных и национальных сетей спутниковой связи, обеспечивающих возможности организации как протяженных магистральных многоканальных линий связи большой емкости, так и локальных и региональных линий связи с многостанционным доступом, а также сетей спутниковой связи с применением технологии VSAT для большого числа пользователей.

С 60-х годов в МСЭ начинается разработка Рекомендаций по стандартизации оборудования и требований к качеству каналов спутниковой связи.

Развитие спутниковых систем связи происходит в следующих направлениях:

предоставление абонентам возможностей передачи высокоскоростных данных и подключения к сети Интернет;
создание спутников с низкими удельными затратами на ствол/год (за счет большого срока службы, большого числа стволов и/или дешевых средств вывода на геостационарную орбиту (ГСО);
создание необслуживаемых сетей VSAT.
Весьма перспективной представляется глобальная система спутниковой связи "Teledesic", которую планируется ввести в эксплуатацию в 2004 году. Эта система должна обеспечить широкополосный доступ к сети Интернет и к мультимедийным услугам в любой точке земного шара. Для нее на ВРК-97 выделены полосы частот 28.6-29.1 ГГц (линия вверх) и 18.8-19.3 ГГц (линии вниз). В системе используется 288 негеостационарных спутников связи, находящихся на низких орбитах. Спутники движутся в двенадцати плоскостях, в каждой из которых находится по 24 спутника. В любой области земного шара радиусом 100 километров система обеспечивает обслуживание потока данных с суммарной скоростью в 500 Мбит/с от пользовательских терминалов. Пользователям будут предоставляться каналы для передачи сообщений со скоростью от 16 Кбит/с до 2 Мбит/с, принимать сообщения они смогут со скоростью до 64 Мбит/с. Система способна одновременно обслуживать миллионы абонентов, предоставляя им услуги по передаче данных, мультимедиа и другие услуги. В разных странах в настоящее время разрабатываются несколько проектов подобных систем.

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения автора.
От Офф-Топик
К Офф-Топик (20.06.2002 01:51:42)
Дата 20.06.2002 01:55:44

От радиорелейных линий - к спутниковой связи



От радиорелейных линий - к спутниковой связи
А. В. Соколов, В. М. Шифрина

Радиорелейная связь - это особый вид радиосвязи на ультракоротких волнах с многократной ретрансляцией сигнала.

Спутниковая связь - это особый вид радиосвязи с одновременной ретрансляцией сигнала через спутник в разных направлениях.

НИИР - это особый научно-исследовательский институт, в стенах которого родилась первая отечественная радиорелейная аппаратура, из стен которого вышло много ученых, известных не только на родине, но и во всем мире, много талантливых организаторов и руководителей отрасли, много академиков и лауреатов Государственных премий.

Можно сказать, что история развития радиорелейной и спутниковой связи в России неразрывна с историей и судьбой НИИР.

Еще в 1932-1934 гг. в СССР была создана приемно-передающая аппаратура, работавшая на метровых волнах, и на ее базе построены опытные линии связи Москва - Кашира и Москва - Ногинск. Первое отечественное оборудование "Краб", разработанное в НИИР и изготовленное в его экспериментальных мастерских для решения конкретной задачи - создания линии связи через Каспийское море между Красноводском и Баку в 1953-1954 гг., также работало в метровом диапазоне, а вот аппаратура "Стрела-П", изготовленная в 1954 г. на Опытном заводе НИИР и предназначенная для связи между Москвой и подмосковным г. Фрязино, работала уже на частотах 1600...2000 МГц.

Эти линии обеспечивали 12 телефонных каналов с возможностью их вторичного уплотнения. Но назвать их радиорелейными в полном смысле этого слова было нельзя, так как связь между двумя пунктами осуществлялась без ретрансляции.

Поначалу наиболее целесообразным для радиорелейных линий (РРЛ) считалось применение импульсной модуляции, хорошо освоенной в радиолокации, с временным уплотнением. И казалось, что при тогдашнем уровне технологии это сулит большие преимущества. Однако целый цикл теоретических исследований и экспериментальных проработок, проведенных в том числе и в институте, подтвердил складывавшееся в ту пору мнение, что сочетание частотной модуляции с частотным уплотнением позволит создать радиорелейные линии, не уступающие наиболее совершенным коаксиальным кабельным системам. Подчеркнем, что сказанное относилось к концу 40-х и началу 50-х годов. А поскольку развитие идет по спирали, то современные новейшие технологии позволили вернуться к цифровым методам передачи на более высоком уровне - передача данных, цифровая телефония и даже цифровое телевидение.

В этот начальный период в институте собрались ученые, имена которых стали известны во всем мире.

Вопросы теории систем связи были развиты профессором В. А. Котельниковым - будущим президентом Академии наук СССР, в его теории потенциальной помехоустойчивости. Очень интересным был коллоквиум, проведенный им в институте, на котором была представлена некоторая таблица, наподобие таблицы Менделеева, содержащая все возможные сочетания систем передачи сигналов с импульсной, частотной и фазовой модуляцией с временным и частотным уплотнением. В ней были выделены сочетания, обладающие наибольшей помехоустойчивостью, и исключены неперспективные варианты.

Разработкой антенн руководил доктор технических наук Г. З. Айзенберг, написавший широко известную книгу "Антенны ультракоротких волн" (1957 г.).

Передатчики СВЧ создавались под руководством заведующего кафедрой передающих устройств МЭИС профессора Б. П. Терентьева, а приемными устройствами занимался доктор технических наук B. C. Мельников.

Возглавлял лабораторию УКВ в то время доктор технических наук В. А. Смирнов. Коллектив этой лаборатории в тесном содружестве с сотрудниками других лабораторий института и создал первые отечественные радиорелейные линии.

В электровакуумной лаборатории института, начальником которой был П. А. Остряков, а немного позднее Н. В. Зарянов, был разработан и изготовлен триод для генерации и усиления высокочастотных колебаний. Эти лампы были использованы в экспериментальном передатчике (работавшем на волне 75 см, с импульсной и частотной модуляцией), созданном в лаборатории УКВ С. В. Бородичем, Е. П. Корчагиной, Л. А. Корнеевым и Н. Н. Федюшиным.

Результатом совместного творчества инженеров И. И. Теумина и В. В. Слуцкой стал оригинальный электронный коммутатор для импульсно-фазовой модуляции.

Группа сотрудников лаборатории УКВ (А. В. Соколов, Н. Н. Зубов, З. Ф. Гурова) под руководством B. C. Мельникова совместно со специалистами ЦНИИС СА и предприятия НИИ-20 разработала приемное устройство для подвижной РРЛ с импульсно-фазовой модуляцией, работающее на волне 20 см.

В то далекое послевоенное время в институте были прекрасные экспериментальные мастерские, возглавляемые А. П. Жаровым, а в них - механики-"золотые руки", и замечательное конструкторское бюро под началом Б. П. Михайлова с инициативными конструкторами-энтузиастами освоения техники СВЧ. Такое сочетание творческих коллективов ученых и экспериментальной производственной базы позволило успешно отработать все принципиальные устройства и элементы будущей аппаратуры РРЛ. Были исследованы узлы приемно-передающей аппаратуры, объемные СВЧ-контуры, входные цепи и кристаллические смесители, усилители промежуточной частоты, частотные и импульсные детекторы, генераторы и усилители СВЧ, импульсные и частотные модуляторы, а также антенны различных типов, из которых два выбраны для использования на первых РРЛ относительно небольшой емкости. Изучались вопросы распространения ультракоротких волн, распределения частот, что позволило определить основные характеристики РРЛ и методы расчета.

Все это было подкреплено многочисленными испытаниями самого различного оборудования на специально созданном опытном участке между Москвой и поселком Голицыно.

В Москве на телефонной станции на ул. Мархлевского находился оконечный пункт этой линии, аппаратная которого размещалась на верхнем этаже, а площадка с параболической антенной - на крыше здания.

В Голицыно, рядом с прекрасным пионерским лагерем "Волна", была построена небольшая башня из трубчатых конструкций для установки антенны и небольшой домик для высокочастотной приемно-передающей аппаратуры - это была промежуточная станция. На этом опытном участке можно было сымитировать двух- и более пролетную РРЛ, что позволило экспериментально подтвердить теоретически полученные законы накопления тепловых шумов и сложения

продуктов нелинейных переходов, возникающих в различных трактах линии.

Работы на опытном участке проводились С. В. Бородичем, В. П. Минашиным, А. В. Соколовым, В. М. Шифриной, Л. А. Коробковым, В. В. Петровым и многими другими.

На полигоне в Голицыне испытывались антенны, измерительное оборудование и устройства электропитания. В специальном бункере проверялся двухмашинный агрегат с механическим аккумулятором энергии - массивным маховиком и автоматически запускаемым дизелем. Это был прообраз широко распространенного дизель-генераторного агрегата ДГА-20М мощностью 20 кВА.

Естественно, все эти работы требовали метрологического обеспечения, и в институте было создано бюро измерительной аппаратуры под руководством кандидата технических наук А. Ф. Пионтковской, которое осуществляло подбор необходимой серийно выпускаемой отечественной и импортной аппаратуры и ее аттестацию.

Для разработки нестандартного измерительного оборудования была организована специальная лаборатория под руководством А. С. Владимирова, а несколько позднее - отдел, который возглавил А. И. Зудакин.

Технологическая цепочка проведения НИР и ОКР в институте в то время выглядела следующим образом. Часть сотрудников лаборатории объединялась в группу для исследования отдельных вопросов или разработки оборудования конкретного назначения. В каждой лаборатории была своя макетная группа, свой механик, а в некоторых - и свой конструктор. Сложные макеты конструировались в КО-1 и изготавливались в мастерских, расположенных в Москве и имевших все необходимые цеха, в том числе и кварцевый. Начальником КО-1 был А. К. Эйхман, начальником мастерских - Л. П. Турин. Конструирование образцов, как правило, осуществлялось в КО-2, начальником которого сначала был Е. И. Хайтов, а позднее - А. И. Бобров, а их выпуск в малых сериях - на Опытном заводе НИИР в поселке Лесное (ст. Зеленоградская). Директором завода долгое время был С. С. Шлюгер, а затем - Б. М. Рафтопуло. Работа возглавлялась руководителем, позднее - главным конструктором и заместителями по основным направлениям.

В лаборатории № 14, в которой в 40-50-х годах разрабатывались первые РРЛ, сначала под руководством В. А. Смирнова, а позднее С. В. Бородича - неизменного главного конструктора, существовало несколько групп: передающих устройств - В. П. Минашин, Г. В. Иванов, Н. А. Ананьев, С. Н. Смирнова, Н. Н. Федюшин, Г. Д. Ефимова; приемных устройств -А. В. Соколов, Н. Н. Зубов, В. И. Малиновская, З. Ф. Гурова; низкой частоты и служебной связи - В. М. Шифрина, Н. И. Тилюшкина, Л. А. Кащеева, Г. К. Конькова, Н. В. Таратута; видеочастоты - Д. Ф. Булле, Ю. Н. Марголин, Ю. В. Грачев.

Устройствами электропитания и автоматики занимались сотрудники других лабораторий: В. В. Петров, И. П. Шилова, Р. Н. Сидоров, М. В. Бродский, В. Д. Шошенков, Н. П. Филипчук.

Антенны на первоначальном этапе разрабатывали В. Д. Кузнецов, А. А. Кукаев, A. M. Модель. Вопросами распространения и проектирования трасс занимались А. И. Калинин, В. Н. Троицкий, А. А. Шур, Л. В. Надененко.

Группой конструкторов в КО-2 руководил И. В. Казистов со своим постоянным помощником Я. М. Мадорским.

Таким коллективом было разработано семейство радиорелейной аппаратуры "Стрела" в диапазоне 1600... 2000 МГц: "Стрела-П" - для пригородных линий на 12 телефонных каналов, "Стрела-Т" - для передачи одной ТВ программы на расстояние 300-400 км и "Стрела-M" - для оборудования магистральных линий на 24 канала протяженностью 2500 км.

В передатчиках с выходной мощностью 2 Вт использовались мощные смесители и генераторы на металлокерамических триодах типа ГС-90Б. Основным типом лампы был металлический пентод 6Ж4 (6 ACT) с высокой крутизной. Промежуточная частота в передатчике - 75 МГц, в приемнике - 31 МГц. Модуляция - частотная. Девиация частоты на канале - 140 кГц, девиация при передаче видеосигнала - 4 МГц. Ширина полосы пропускания телефонного ствола - 6 МГц, ТВ ствола - 20 МГц. В приемнике использовался кристаллический смеситель и гетеродин на отражательном клистроне для оконечной станции, а на промежуточных станциях колебания гетеродина образовывались общим с передатчиком генератором и дополнительным смесителем. Звуковое сопровождение ТВ программы передавалось в групповом тракте телефонного ствола на отдельной поднесущей с фазоразностной модуляцией.

Основным типом антенны была перископическая система из двух зеркал (верхнего - плоского, нижнего - эллиптического) и рупорного облучателя. Применялась и параболическая антенна диаметром 3,2 м.

Первые РРЛ были оборудованы аппаратурой, изготовленной на опытном заводе института, где были организованы монтажный цех, напоминающий небольшой конвейер, настроечный цех во главе с А. И. Бунаковым. Для комплексной проверки была создана однопролетная линия. Серийное производство аппаратуры осуществлялось на заводе в Ростове-на-Дону.

Аппаратура "Стрела" использовалась при строительстве довольно многих линий, например, Москва - Рязань, Москва -Ярославль - Нерехта - Кострома - Иваново, Фрунзе - Джалалабад, Москва - Воронеж, Москва - Калуга, Москва - Тула.

В 1956 г. аппаратура "Стрела-M" была продемонстрирована на Выставке достижений народного хозяйства (ВДНХ), а ее разработчики награждены медалями и дипломами ВДНХ.

Следующее оборудование для РРЛ, созданное примерно тем же коллективом, - аппаратура Р-60/120. Она позволяла создавать 3-6-ствольные магистральные линии длиной до 2500 км для организации 60-120 телефонных каналов и длиной до 1000 км - для передачи ТВ программ при выполнении Рекомендаций МККТТ и МККР на качественные показатели.

Принципиальные решения отдельных узлов и общее построение оборудование во многом напоминало "Стрелу", но при разработке учитывались все Рекомендации МККР. В соответствии с ними промежуточные частоты передатчика и приемника были одинаковы и равны 70 МГц. Большое внимание уделялось вопросам внутрисистемной ЭМС, учитывались все возможные паразитные продукты преобразования частот в мощном смесителе передатчика и каналы помех в смесителе приемника. Аппаратура работала в том же диапазоне 1600...2000 МГц. Мощность передатчика была увеличена до 3 Вт. Была предусмотрена система телеобслуживания промежуточных станций, совершенно изменена конструкция стоек.

Для установки перископической антенной системы использовалась либо свободно стоящая башня из трубчатых конструкций, либо мачта из стальной трубы относительно большого диаметра с несколькими ярусами оттяжек. Аппаратуру размещали в кабине, встроенной в башне, или в небольшом здании около мачты. В отдельном домике была установлена система электропитания с автоматической дизельной установкой.

По сложившейся традиции образцы аппаратуры Р-60/120 для первой линии были изготовлены Опытным заводом института.

Эта РРЛ (между Москвой и Смоленском с промежуточными пунктами в Голицыне, Дорохове, Гжатске, Вязьме и Ярцеве) была спроектирована, смонтирована и настроена менее чем за год совместными усилиями специалистов ГСПИ, треста "Радиострой" и НИИР и сдана в эксплуатацию в октябре 1958 г. Руководили работами А. В. Соколов, Н. А. Ананьев, Г. Г. Цуриков. Сквозные измерения, паспортизацию телефонных каналов и видеотракта провели В. М. Шифрина, Н. И. Тимошина, В. Н. Полухин.

По инициативе начальника Технического управления Минсвязи СССР А. Д. Фортушенко для серийного производства аппаратура Р-60/120 была передана на один из лучших заводов ВПК в Днепропетровске, где она попала в руки молодых специалистов В. И. Дворникова, В. М. Василевского,

Ю. Ф. Марченко и А. И. Потапенко (двое последних после освоения оборудования в производстве перешли на работу в НИИР).

Радиорелейные линии на базе аппаратуры Р-60/120 были построены в различных районах СССР. Одной из первых и, пожалуй, самой длинной была линия Москва - Ростов-на-Дону, весь цикл работ на которой, начиная от проектирования и кончая сдачей в эксплуатацию, был проведен ведущим конструктором НИИР В. М. Шифриной.

Параллельно с созданием оборудования сотрудниками института А. И. Калининым, В. Н. Троицким, Л. В. Надененко, А. А. Шуром были разработаны методики для выбора трасс, а также методики настройки, измерений и инструкции по эксплуатации и обслуживанию РРЛ.

Успешная разработка оборудования и настройка линий была обеспечена благодаря использованию большого парка измерительной аппаратуры. Большую роль сыграло и создание специальной измерительной аппаратуры: комплекта постоянных и переменных направленных ответвителей (В. Д. Кузнецов, А. А. Кукаев); измерителя мощности, резонансного волномера, шумового диода, генератора стандартного поля (М. В. Фомин); гетеродинного волномера, измерителя девиации (Г. И. Рабинович); генератора стандартных сигналов (А. В. Соколов, Н. Н. Зубов).

Особо следует отметить создание двух принципиально новых для того времени приборов: измерителя группового времени запаздывания (И. С. Печерский, Е. А. Шубина) и измерителя переходных шумов (А. И. Зудакин).

Оборудование Р-60/120 также экспонировалось на ВДНХ в 1958 г., и коллектив разработчиков был награжден медалями и почетными дипломами.

Разработанная аппаратура для РРЛ прямой видимости не могла обеспечить связью ни Крайний Север, ни удаленные районы Сибири.

Идея создания в этих местах линий тропосферной связи с расстояниями между пунктами в сотни километров принадлежала В. А. Смирнову. Она была развита и конкретизирована С. В. Бородичем и А. И. Калининым, а также поддержана Министерством связи.

Главным конструктором разработки тропосферной системы связи ТР-60/120 был назначен С. В. Бородич. В коллектив разработчиков пришли новые сотрудники и молодые специалисты: И. А. Гусятинский, А. С. Немировский, Б. С. Надененко, И. С. Цирлин, В. В. Козлов, Ю. М. Кирик, Ю. М. Фомин, B. C. Довгелло, Е. В. Коршунов, Ю. Б. Петровский, В. М. Цемехман, Ю. В. Берноскуни, И. Л. Папернов, В. В. Плеханов, Э. Я. Рыскин, Г. Г. Тараканова, М. И. Поляк.

Для дальней тропосферной связи требовались мощные передающие устройства, антенны с большим усилением, высокочувствительные приемники многократного приема с порогопонижающими системами.

Наиболее подходящим для тропосферных систем с расстояниями между пунктами 200-300 км являлся диапазон 700... 1000 МГц. На основании теоретических исследований, анализа отечественной и зарубежной литературы, сравнения различных систем многократного приема была выработана структура построения как отдельных станций, так и всей линии дальней тропосферной связи.

Работа была организована следующим образом: в лабораториях института проводились самые разнообразные теоретические исследования и макетирование принципиально новых узлов и блоков. Параллельно шло строительство опытного участка между городами Талдом и Вологда протяженностью 300 км. На предприятиях МЭП были разработаны и внедрены в серийное производство многорезонаторные пролетные усилительные клистроны мощностью 3...10 кВт. Проверка и испытания клистронов проходили при непосредственном участии сотрудников НИИР: Н. В. Зарянова, С. И. Угорской, В. П. Минашина, Г. В. Иванова, В. М. Фирсова, И. В. Казистова, B. C. Довгелло.

Оригинальное высоковольтное устройство электропитания для этих клистронов было разработано В. В. Петровым.

В первых образцах приемников использовались усилители высокой частоты на миниатюрных маячковых лампах, но затем они были заменены на принципиально новые для того времени параметрические усилители с температурой шума 200-300 К.

Как всегда, образцы оборудования для оснащения опытной линии были изготовлены на Опытном заводе НИИР. В дальнейшем серийное производство аппаратуры осуществлялось на Красноярском заводе телевизоров в НПО "Искра". Нужно отметить, что при передаче документации на заводы колоссальная работа пришлась на конструкторский отдел (А. И. Бобров), отдел нормализации и стандартизации (Ф. Л. Зингер) и технический отдел (Г. Н. Томиловский).

Идеологами огромного объема разнообразных исследований, проведенных на линии Талдом - Вологда, были И. А. Гусятинский и А. С. Немировский. В частности, были изучены особенности многолучевого распространения; определены зависимости уровня сигнала от расстояния и длины волны, уточнены законы замираний, потери усиления антенн и подобрана оптимальная диаграмма направленности; определены статистические характеристики сигналов при пространственном, угловом и частотном разнесении, получены частотные и фазовые характеристики участка линии, а также виды распределения тепловых и переходных шумов и подобрано оптимальное значение девиации.

В итоге - разработка полного комплекта оборудования ТР-60/120.

Не вдаваясь в подробности построения аппаратуры, скажем только, что станция, построенная на Севере, представляла собой зрелище фантастическое. Огромные, приподнятые над землей, параболические зеркала с квадратным раскрывом размером 20х20 или 30х30 м, рупорные облучатели на башенках и длинные волноводы, идущие к алюминиевому сборному зданию, - все это напоминало, скорее, явление не земное, а космическое. Впечатление усиливалось тем, что эта окрашенная контрастными оранжево-черными полосами конструкция появлялась неожиданно - в конце просеки между гигантскими елями - это, если смотреть с земли, или - прямо на горизонте бескрайней тундры в лучах низкого солнца - если лететь на вертолете. А кругом - снег, покой и мороз минус 34°С!

Необходимость больших мощностей потребовала совершенно нового подхода к разработке полосовых, режекторных фильтров, фильтров гармоник и ферритовых вентилей. Эта новая технология была успешно внедрена в производство A. M. Моделем, В. М. Антоненко, Б. С. Надененко, И. А. Берлявским, А. П. Николаевым, И. В. Казистовым.

Первые параметрические усилители были разработаны Ю. М. Фоминым, Н. Н. Зубовым и воплощены в конкретные конструкции И. М. Кузнецовым.

Оригинальная система сдвоенного приема по промежуточной частоте с подстройкой фаз приходящих сигналов была придумана А. В. Соколовым и И. И. Печерским (авт. свид. № 158602, 1962 г. ), а оригинальное порогопонижающее устройство предложено И. А. Гусятинским и Ю. Н. Марголиным (авт. свид. № 863014, 1963 г. ).

На аппаратуре ТР-60/120 в 60-70-х годах была построена сеть тропосферных линий протяженностью более 15 000 км, содержащая 55 станций. Была построена также линия сверхдальней тропосферной связи между СССР и Индией длиной 700 км (между городами Душанбе и Сринагар), которая в 1981 г. связала две столицы - Москву и Дели.

Попытка осуществить передачу черно-белого телевидения в диапазоне 700...1000 МГц успеха не имела, а вот в диапазоне 5000 МГц это стало возможным. Была изобретена оригинальная система многократного сложения по промежуточной частоте, авторами которой были И. А. Гусятинский, Л. Я. Кантор, Ю. Н. Марголин, И. С. Цирлин, В. П. Лущин (авт. свид. № 187097, 1965 г. ).

Система широкополосной тропосферной связи на несколько стволов "Рубеж" не получила широкого распространения, поскольку весь комплекс был достаточно громоздким. Была построена всего одна линия над Охотским морем между материком и Камчаткой.

Напомним, что в тот начальный период создания РРЛ было написано множество научных статей, издано много книг, защищены кандидатские и докторские диссертации, сделано много изобретений и получено множество авторских свидетельств и патентов. Например, Бородич С. В., Минашин В. П., Соколов А. В. "Радиорелейная связь" (Связьиздат, 1960 г. ); И. А. Гусятинский, Е. В. Рыжков, А. С. Немировский "Радиорелейные линии связи" (Связь, 1965 г. ); И. А. Гусятинский, А. С. Немировский, А. В. Соколов, В. Н. Троицкий "Дальняя тропосферная радиосвязь" (Связь, 1968 г. ).

В 1957 г. был осуществлен запуск первого в мире советского искусственного спутника Земли, положивший начало космической эры. После проведения ряда испытаний и первого полета человека в космос в 1961 г., естественно, возникла идея создания систем спутниковой связи (телефония, телеграф, телевидение и прочее). Основное преимущество таких систем связи заключается в возможности значительного расширения зон обслуживания по сравнению с радиорелейными и кабельными линиями связи. Теоретические разработки в области энергетических возможностей линий спутниковой связи позволили сформулировать тактико-технические требования к устройствам спутникового ретранслятора и наземных устройств, исходя из реальных характеристик технических средств, существовавших в то время.

Разработка спутниковых ретрансляторов поручается МНИИРС МПСС, а оборудования земных станций - НИИР.

Наиболее подходящей для оборудования земных станций спутниковой системы оказалась аппаратура тропосферной связи ТР-60/120, в которой, как известно, использовались передатчики большой мощности и высокочувствительные приемные устройства с малошумящими параметрическими усилителями. На ее основе в институте разрабатывается приемно-передающий комплекс "Горизонт", устанавливаемый на наземных станциях первой линии спутниковой связи между Москвой и Владивостоком.

Специально были разработаны передатчики для связной и командно-измерительной линии, параметрические усилители с температурой шума 120 К для установки в подзеркальной кабине антенны, а также совершенно новое оборудование промежуточной частоты и групповых трактов, обеспечивающее стыковку с местными телецентрами и междугородными телефонными станциями.

Интересно отметить, что проектировщики земной станции, боясь влияния мощных передатчиков на приемники, установили их на разных антеннах и в разных зданиях (приемном и передающем). Однако большой опыт использования одной общей антенны для приема и передачи, полученный на линиях тропосферной связи, позволил в дальнейшем перенести приемное оборудование на передающую антенну (инициаторами были С. В. Бородич и A. M. Модель), что значительно упростило и удешевило эксплуатацию станций спутниковой связи.

Нам, А. В. Соколову и В. М. Шифриной, было поручено проведение работ по настройке, испытаниям и введению в эксплуатацию первой линии спутниковой связи между Москвой и Владивостоком. Первые станции были настроены, испытаны и введены в действие в подмосковном г. Щелково и в Уссурийске. Кабельными и релейными линиями связи они соединялись соответственно с телецентрами и телефонными междугородными станциями Москвы и Владивостока.

Нам выпало счастье провести первые передачи через спутник связи "Молния-1", запущенный 23 апреля 1965 г. С запуском второго спутника связи "Молния-2" 14 октября 1965 г. началась регулярная эксплуатация линии дальней связи через ИСЗ. Через спутник "Молния-1" было проведено множество интересных работ, в том числе обмен цветными ТВ программами по системе SEKAM между СССР и Францией, получение цветных изображений Земли из космоса и различной метеорологической информации. Все работы подробно освещались в центральной печати: "Спутник связи "Молния-1" ("Правда", 30 мая 1965 г.); "Дворец съездов - "Молния-1", Владивосток ("Правда", 7 октября 1965 г.); "Цветные передачи "Москва-Париж" ("Правда", 1 декабря 1966 г.); "Цветное телевидение через космос" ("Правда", 27 декабря 1966 г.).

В 1967 г. через спутник связи "Молния-1" создана разветвленная телевизионная сеть приемных земных станций "Орбита" с центральной передающей станцией под Москвой. Это позволило передавать программу Центрального телевидения в отдаленные районы нашей Родины и дополнительно охватить более 30 млн. телезрителей.

С этого времени, пожалуй, началась новая эра в истории НИИР - эра создания новых спутниковых систем связи и ТВ вещания, которая, несмотря ни на что, продолжается и в настоящее время.

Авторы этих заметок искренне благодарны руководству НИИР за предоставленную возможность поделиться своими воспоминаниями с молодыми читателями и просят прощения за то, что, наверняка, упомянули имена далеко не всех сотрудников института, принимавших участие в этих первых разработках.

А. В. Соколов - ведущий научный сотрудник НИИР, ветеран НИИР, кандидат технических наук, лауреат Государственной премии СССР, кавалер орденов СССР, бывший начальник лаборатории № 52 (1965-1993 гг.)

В. М. Шифрина - ветеран НИИР, кавалер орденов СССР, бывший начальник лаборатории № 51

Статья опубликована в журнале "Электросвязь" №10, 1999 г., стр. 8.
Перепечатывается с разрешения редакции.
От Офф-Топик
К Офф-Топик (20.06.2002 01:55:44)
Дата 20.06.2002 01:57:43

История распределения спектра и радиоконтроля




Становление и развитие в НИИР работ в области управления использованием РЧС
Ю. Б. Зубарев

Для решения проблем использования в стране РЧС в 1975 г. постановлением Правительства в составе НИИР был создан новый научный отдел электромагнитной совместимости (ЭМС), а в 1997 г. на его базе - Центр анализа ЭМС (ЦА ЭМС) как головное подразделение Госкомсвязи по проблемам обеспечения ЭМС и управления использованием РЧС.

Центр анализа ЭМС является уникальной государственной научной организацией, в которой работают ученые и высококвалифицированные инженеры, имеющие весьма большой опыт работы в области развития радиосвязи и обеспечения ЭМС радиоэлектронных средств (РЭС). В этом Центре решается широкий спектр вопросов по проблемам ЭМС и управления использованием в стране РЧС, в том числе вопросы национальной технической политики в области использования РЧС и отстаивания ее на международной арене, а также международно-правовой защиты отечественных частотных присвоений и позиций на геостационарной орбите для спутниковой связи.

Направления деятельности ЦА ЭМС
Положением о ЦА ЭМС Гостелекома, одобренным Решением Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) России, на него возложено проведение работ по следующим основным направлениям:

научно-техническое обеспечение деятельности Администрации связи России по линии сектора радиосвязи Международного союза электросвязи (МСЭ) и МСЭ в целом;
совершенствование отечественной системы управления использованием РЧС и создание для этой цели автоматизированных систем, а также методологического и программного обеспечения для анализа ЭМС РЭС;
разработка предложений по совершенствованию российской правовой и законодательной базы и применению экономических методов для управления использованием РЧС;
частотное планирование и анализ ЭМС сетей наземного ТВ и 3В вещания, сетей сотовой и транкинговой подвижной связи, спутниковых систем связи;
решение системных вопросов и выработка технической политики развития и совершенствования государственной системы радиоконтроля за использованием спектра;
проведение испытаний радиосредств на соответствие требованиям ЭМС.
По ряду стратегических направлений ЦА ЭМС выполняет работы совместно со специалистами ЦА ЭМС Минобороны России и отраслевыми институтами Гостелекома - СОНИИР и ЛОНИИР.

Первым руководителем ЦА ЭМС был А. С. Юзжалин, который некоторое время спустя стал заместителем директора, а затем и директором Центрального научно-исследовательского института связи. В последующие годы ЦА ЭМС возглавляли А. П. Павлюк, В. В. Тимофеев и М. А. Быховский.

Работы в области радиоконтроля
Работы в области радиоконтроля проводились в НИИР начиная с 50-х годов, когда под руководством Л. К. Загебарда был разработан и серийно выпускался уникальный для того времени стандарт частоты, позволявший контролировать частоту передатчиков на станциях радиоконтроля.

Для измерения ширины полосы частот и внеполосных излучений ВЧ радиопередатчиков в конце 60-х - начале 70-х годов под руководством А. П. Павлюка был разработан прибор ИШПИ-1. В нем было реализовано авторское свидетельство группы сотрудников НИИР (В. А. Михайлов, В. А. Минин, А. П. Павлюк, Н. С. Тарасов). Зарубежных аналогов такого прибора в то время не было. Оснащение этим прибором ряда станций радиоконтроля и наиболее крупных радиопередающих центров страны позволило привести к норме излучения целого ряда радиопередатчиков.

В 1982-1983 гг. по заданию Государственной инспекции электросвязи под руководством В. В. Тимофеева и при активном участии В. М. Елисеева была проведена разработка программного обеспечения для закупленного за рубежом оборудования автоматических станций радиоконтроля. Это оборудование широко применялось в службе радиоконтроля СССР.

В 1994-1999 гг. под руководством В. Г. Дотолева был проведен комплекс работ по совершенствованию системы радиоконтроля за излучениями РЭС Российской Федерации. Итогом этих работ стал проект "Федеральной целевой программы совершенствования и развития системы радиоконтроля за излучениями РЭС гражданского назначения", определяющей государственную политику и методы повышения эффективности использования РЧС. В разработке федеральной программы принимали активное участие А. У. Жильцов и А. П. Павлюк.

Стандартизация параметров ЭМС РЭС
В конце 60-х - начале 70-х годов А. П. Павлюк возглавлял исследования спектральных характеристик излучений передатчиков, на основании которых получены первые в СССР нормы на ширину полосы частот и внеполосные излучения передатчиков. Эти нормы с некоторыми добавлениями и уточнениями, сделанными в 80 - 90-е годы, действуют как Нормы ГКРЧ 19-86 (с дополнением 1 от 1992 г. ) по настоящее время. В 1992 г. на их базе при активном участии В. Д. Яшина и Ю. Н. Луговского был выпущен ГОСТ 50016-92.

В лаборатории сертификации, заведующим которой является член-корр. МАИ Г. В. Водопьянов, разрабатываются стандарты на параметры ЭМС радиооборудования и проводится его сертификация.

Принятие странами ЕС Евродирективы № 89/336 обусловило необходимость разработки большой группы международных и европейских стандартов ЭМС, в которой значительное внимание отводится стандартам, устанавливающим требования устойчивости технических средств радиосвязи к воздействию внешних электромагнитных помех. Как правило, международные стандарты этой группы разрабатываются в технический комитетах Международной электротехнической комиссии (МЭК), европейские стандарты - в Европейском институте стандартов по связи (ETSI) и Европейском комитете по стандартизации изделий электротехники.

К настоящему времени сотрудниками лаборатории разработан и введен в действие ГОСТ "Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость технических средств радиосвязи к электростатическим разрядам, импульсным помехам и динамическим изменениям напряжения сети электропитания. Требования и методы испытаний". На основе стандартов МЭК разработана и подготовлена к принятию группа базовых отечественных стандартов по устойчивости технических средств к радиочастотному электромагнитному полю, воздействию кондуктивных помех, наведенных радиочастотными электромагнитными полями, а также к воздействию микросекундных импульсов большой энергии и динамическим изменениям напряжения сети электропитания.

На основе стандартов ETSI разрабатываются отечественные стандарты на пейджинговое оборудование локального применения, на средства радиосвязи, работающие в диапазоне частот 6,1...28 МГц и предназначенные для передачи как речевых, так и неречевых сигналов, а также на средства радиосвязи малого радиуса действия и соответствующее вспомогательное оборудование. Принятие и ввод в действие указанных стандартов позволяет осуществлять сертификацию производимых отечественных и ввозимых из-за рубежа технических средств радиосвязи на соответствие требованиям ЭМС, которые полностью соответствуют международным требованиям.

В соответствии с Соглашением о сотрудничестве, заключенным между НИИР и Швейцарским федеральным политехническим институтом, сотрудники лаборатории проводят активную совместную работу по гармонизации стандартов МЭК в области ЭМС с учетом требований и методов испытаний, принятых в России, а также по разработке структуры, техническому оснащению, нормативному обеспечению лабораторий для испытаний ЭМС технических средств радиосвязи с учетом международных требований.

В лаборатории выполняются также сертификационные испытания новейших отечественных измерительных установок, предназначенных для контроля за электромагнитной обстановкой на постах радиомониторинга региональных управлений Госсвязьнадзора России.

Результаты работ, проведенных в области радиоконтроля и стандартизации параметров ЭМС РЭС, опубликованы в многочисленных отечественных и зарубежных изданиях [1, 2 и др.] и отражены в упомянутых нормативных документах. Более 30 вкладов России в различные Исследовательские комиссии МСЭ-Р (бывший МККР) вошли во многие Отчеты и Рекомендации МСЭ-Р серий SM [3] и IS [4], а также в Справочники МСЭ [5, 6].

Методологическая и программная базы обеспечения ЭМС наземных и спутниковых систем связи
Основополагающие исследования, связанные с расчетом воздействия помех на системы радиорелейной и спутниковой связи, были выполнены известными специалистами НИИР: д. т. н., лауреатом Государственной премии СССР С. В. Бородичем, д. т. н., академиком МАИ, лауреатом Государственных премий СССР Л. Я. Кантором и крупным отечественным специалистом в области спутниковой связи В. М. Дорофеевым.

За 25 лет существования ЦА ЭМС разработано методическое и программное обеспечение для решения прикладных задач анализа ЭМС наземных и спутниковых систем радиосвязи и вещания; выполнены десятки научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, результаты которых нашли широкое применение в проектных организациях и в органах Главгоссвязьнадзора России, ответственных за назначение частотных каналов средствам гражданского назначения.

Разработанные в НИИР Методики анализа ЭМС и Нормы частотно-территориального разноса (ЧТР) для фиксированной, подвижной и вещательной служб прошли всестороннюю экспертизу и рекомендованы Решениями ГКРЧ России частотным органам и проектным организациям для решения вопросов ЭМС радиосредств.

В результате были созданы методики анализа ЭМС радиостанций фиксированной, подвижной и вещательной служб, наземных и спутниковых служб; нормы ЧТР для большого класса систем радиосвязи, включая радиорелейные, спутниковые системы, а также для систем сотовой связи стандартов AMPS, GSM-900 и GSM-1800, СDМА и DECT; автоматизированные системы для экспертизы заявок на частотные присвоения радиостанциям различных служб.

Все эти разработки велись под руководством М. А. Быховского и В. В. Тимофеева при активном творческом участии И. Л. Папернова, В. О. Тихвинского, С. Н. Дудукина, В. Д. Яшина, Н. И. Дубовицкой, Н. В. Шуваловой. Результаты выполненных работ отражены во многих публикациях и нормативных документах [7, 8] и др.

Работы по созданию программно-методической базы для управления использованием РЧС и решения задач ЭМС РЭС получили в России значительный импульс в результате реализации "Комплексной целевой программы конверсии в области использования радиочастотного спектра радиослужбами Российской Федерации" (1994-1997 гг.), одобренной постановлением Правительства России, и "Комплексной программы работ по повышению эффективности использования РЧС в интересах развития перспективных РЧС и систем Российской Федерации" (1997-2000 гг.), одобренной Решением ГКРЧ России.

Существенные разделы этих программ были посвящены программному и информационному обеспечению в интересах всех радиочастотных органов России. Центр анализа ЭМС как координатор этих работ привлекает к их выполнению специалистов ЛОНИИР, СОНИИР, ЦА ЭМС Минобороны России, максимально используя накопленный в этой области опыт.

Своеобразным отчетом о проделанной работе стала организованная Центром анализа ЭМС в 1998 г. научно-техническая конференция "Автоматизированные системы управления использованием радиочастотного спектра" [9]. Ее участникам было продемонстрировано свыше 30 автономных расчетных программ, информационно-справочных подсистем, автоматизированных рабочих мест, определяющих на настоящее время облик применяемого в радиочастотных органах России и стран СНГ программно-методического аппарата для решения задач ЭМС РЭС и управления использованием РЧС. Наиболее весомый вклад в их создание был внесен творческими коллективами разработчиков информационного и программно-методического обеспечения, возглавляемыми Н.И. Харитоновым и С.Н. Дудукиным (ЦА ЭМС), А.В. Хохлачевым (ЦНИРТИ-СПЕКТР), С.Ю Пастухом и В. И. Александровым (Минобороны РФ). Научное руководство исследовательскими работами осуществляли B. C. Акимов и В. В. Некрасов (Госкомсвязи), М. А. Быховский (ЦА ЭМС) и М. М. Ступницкий (ЦА ЭМС Минобороны).

Итогом этих работ стали: базы данных по тактико-техническим характеристикам РЭС, вопросам управления использованием РЧС, спутниковым системам связи в России, Таблицам распределения частот и по другим предметным областям радиочастотной проблематики; компакт-диски со сборниками наиболее часто используемых радиочастотными органами и операторами связи программ; комплекс программ для расчета процента времени действия помех между негеостационарными и геостационарными спутниковыми системами и наземными системами связи.

Нормы ЧТР, методики и программы используются при выработке рекомендаций по выделению частотного ресурса для радиорелейных и спутниковых систем связи и радиосистем распределения телевизионных каналов в диапазоне частот 2, 5, 29 и 40 ГГц.

Фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования закономерностей распространения радиоволн разных диапазонов частот проводятся в лаборатории распространения радиоволн. Многие годы лабораторию возглавлял д. т. н., профессор, председатель ИК-5 Сектора радиосвязи МСЭ (МСЭ-Р) А. И. Калинин. В настоящее время ее возглавляет д. ф-м. н., член-корр. МАИ В. Н. Троицкий. В лаборатории создана уникальная методология проектирования систем связи разного назначения с учетом обеспечения их ЭМС, используемая во всех российских проектных организациях и в организациях, выполняющих работы по анализу ЭМС систем радиосвязи и вещания. Значительный творческий вклад в разработку этой методологии внесли специалисты НИИР: Л. В. Надененко, В. В. Святогор, А. А. Шур. Результаты исследований, выполненных специалистами ЦА ЭМС, опубликованы во многих книгах [10, 11] и др. и отражены в нормативных документах [12, 13].

Частотное планирование сетей радиовещания
Методология частотного планирования. Исследования вопросов обеспечения ЭМС применительно к сетям телевизионного и звукового вещания начали проводиться в НИИР практически сразу после окончания Отечественной войны. По проблеме частотного планирования сетей радиовещания специалисты НИИР опубликовали основополагающие научные работы. В опубликованной в 1956 г. статье д. т. н., проф. С. В. Новаковского и А. К. Кустарева [14], были изложены основы частотного планирования передающей сети и впервые введены понятия защитных отношений, сетки планирования и др. В 1960 г. выходит в свет сборник [15], написанный сотрудниками НИИР Н. М. Санкиным и В. И. Труновым, в котором впервые в нашей стране систематизированы все необходимые для планирования сетей ТВ и ОВЧ ЧМ вещания исходные технические данные и приведены методологические рекомендации по построению практических частотных планов передающих сетей. В 1988 г. публикуется справочник [16], подготовленный специалистами ЦА ЭМС М. Г. Локшиным, А. А. Шуром, А. В. Кокоревым и Р. А. Краснощековым с учетом результатов исследований последних лет и развития новых систем телевидения (цветного, спутникового, кабельного).

Важные для нашей страны исследования условий обеспечения ЭМС наземных и спутниковых систем вещания были выполнены М. Г. Локшиным и В. А. Боровковым при создании отечественной системы "Экран". Эти оригинальные исследования позволили определить нормы на уровень плотности мощности сигналов ИСЗ на поверхности Земли и защитить интересы страны при развитии систем "Экран" и "Москва". Результаты исследований признаны в международных организациях и включены в документы МСЭ-Р, регламентирующие процедуры частотного совмещения наземных и спутниковых систем вещания.

Частотные планы для сетей радиовещания и их приграничная координация. Первые частотные присвоения для телевизионных передатчиков в крупных городах СССР были составлены известным российским специалистом, профессором, председателем ИК-11 МСЭ-Р, академиком МАИ М. И. Кривошеевым еще в начале 50-х годов. Частотные планы передающих сетей ТВ и 3В вещания страны впервые были созданы при непосредственном участии Н. М. Санкина, В. И. Трунова, В. И. Чеботаревой и Г. Я. Тимофеевой. Для этого в НИИР были разработаны методы частотного планирования на основе регулярных сеток с учетом особенностей национального стандарта вещания. Впоследствии разработка Генеральной перспективы развития ТВ и 3В вещания велась в НИИР под руководством д. т. н. С. С. Шлюгера, написавшего ряд научно-технических статей по этой проблеме.

Технические основы планирования сетей УКВ ЧМ радиовещания разработаны Б. И. Савицким и Р. А. Котиковой, а сетей ТВ вещания - М. Г. Локшиным. Ими исследованы защитные отношения для отечественной системы звукового радиовещания с полярной модуляцией, а в телевидении - для системы D, K/SECAM, подготовлены общесоюзные нормы для частотного планирования ТВ наземных сетей страны, разработаны и внедрены методы повышения эффективности использования частотных каналов при частотном планировании ТВ сети и уменьшения взаимных помех РЭС.

В 50-х годах в НИИР под руководством известного российского ученого, члена-корр. АН СССР В. И. Сифорова был разработан метод частотного планирования на основе регулярных сеток, который использовался для перспективного планирования сетей ТВ и 3В вещания в диапазонах ОВЧ и УВЧ. В частности, это послужило солидной базой при подготовке к Региональной конференции радиосвязи Стокгольм-61. На данной конференции в рамках общеевропейского плана был создан частотно-территориальный план для станций ТВ вещания на европейской части СССР, который лег в основу действующих ныне планов России и ряда других стран-членов РСС. Его отдельные положения используются до сих пор. Интересно отметить, что к моменту открытия конференции в мае 1961 г. кроме вопросов по общим принципам планирования предложения по конкретному национальному плану имела только делегация СССР. В связи с этим конференция решила создать европейский план с привязкой к приграничным областям предложенного плана СССР. Таким образом, разработанный в НИИР Национальный частотный план лег в основу и общеевропейского плана присвоения частот в пределах огромной территории - от нулевого до сорокового меридианов.

В НИИР велась разработка как национальных частотных планов для развития службы ТВ и 3В вещания страны с учетом технического, экономического и политического уровня развития отдельных регионов, так и международных частотных планов с целью защиты частотных интересов службы радиовещания и других служб страны.

Эти планы нашли свое отражение практически во всех региональных соглашениях, касающихся радиовещательной службы (Заключительные Акты Региональной административной конференции по радиовещанию в ДВ и СВ диапазоне (Женева, 1975 г.), Заключительные Акты первой сессии Региональной административной конференции по радиовещанию в СВ диапазоне (Район 2) (Буэнос-Айрес, 1980 г.), Заключительные Акты Региональной административной конференции по использованию полосы 87,5...108 МГц для службы ОВЧ ЧМ радиовещания (Женева, 1984 г.), Заключительные Акты Европейской конференции администраций почтовой и электросвязи (СЕРТ) по планированию наземного цифрового радиовещания (T-DAB) (Висбаден, 1995 г.), Многостороннее Соглашение, по техническим критериям, принципам координации и процедурам внедрения наземного цифрового телевизионного вещания (Честер, 1997 г.), а также частотные планы наземной службы радиовещания России, предназначенные для взаимной координации с администрациями связи сопредельных государств).

Появление и развитие цифровых систем радиовещания потребовало решения целого комплекса проблем [17]. НИИР определен Гостелекомом головной организацией по данной проблеме. Возглавляет это научное направление директор НИИР Ю. Б. Зубарев. В 1999 г. разработана "Концепция внедрения наземного цифрового телевизионного и звукового вещания в России" [18]. Для защиты частотных интересов России специалистами ЦА ЭМС разработаны проходящие сейчас координацию частотные планы сетей цифрового вещания в координационных зонах с сопредельными странами.

В настоящее время в ЦА ЭМС вопросы частотного планирования сетей звукового и телевизионного вещания разрабатываются в лаборатории, возглавляемой В. Г. Дотолевым, и в секторе, возглавляемом М. Г. Локшиным.

Автоматизированные системы проектирования (АСП) и анализа ЭМС сетей вещания
Разработка первой в стране АСП была выполнена специалистами ЦА ЭМС в 1975-1977 гг. Руководили этой разработкой известный российский специалист в области распространения радиоволн Н. Н. Шумская и А. П. Павлюк при активном участии Г. С. Манаенковой, З. А. Шергиной, а позднее Е. Н. Бобковой. В дальнейшем эта система совершенствовалась, и сегодня эксплуатируется АСП 2-го поколения для назначения частотных присвоений радиовещательным и телевизионным станциям диапазонов ОВЧ и УВЧ и их учета. АСП создана Р. А. Краснощековым, Т. А. Романовой и Л. И. Смолич.

К системам 2-го поколения относится и "Программа расчета частотных каналов ТВ и ОВЧ ЧМ передатчиков наземной вещательной сети", зарегистрированная в Реестре программ для ЭВМ РосАПО в 1993 г. (авторы М. Г. Локшин, Н. Л. Клепикова). Она используется при выборе и экспертизе частотных присвоений в Главгоссвязьнадзоре России, на Украине, в Казахстане. Сейчас система передана Белоруссии и в Узбекистан.

В настоящее время ЦА ЭМС работает над АСП 3-го поколения.

Специалистом НИИР Н. Г. Ямпольской была создана система автоматизированного назначения частот радиовещательным станциям диапазона длинных и средних волн и их учета. Под руководством начальника лаборатории ЦА ЭМС В. Г. Дотолева была разработана программа для составления расписаний внешнего коротковолнового (ВЧ) вещания. Ее использование, кроме текущего планирования, позволило подготовить и на высоком техническом уровне обосновать позицию делегации СССР на Всемирной административной конференции по ВЧ радиовещанию (ВАКР ВЧРВ).

Вопросы улучшения ЭМС в наземной сети вещательного телевидения в настоящее время весьма актуальны. Сегодня в России характерна тенденция к существенному увеличению числа одновременно транслируемых программ на одной территории, особенно в крупных городах. Проблема многопрограммного ТВ вещания имеет два аспекта: увеличение числа частотных каналов для эфирного вещания и увеличение емкости распределительных сетей коллективного приема и кабельного телевидения. Применение АСП позволило в ЦА ЭМС по заданиям Главгоссвязьнадзора выполнить весьма значительный объем работ в области радиовещания. Только за последние два года в 1500 городах России выделены частотные каналы для развертывания 2500 новых станций 3В и ТВ вещания.

Частотное планирование сетей подвижной связи
Работы в этой области были развернуты в 1992 г., когда НИИР с участием специалистов Минобороны и радиопромышленности по заказу Воронежского института связи приступил к разработке норм ЧТР для сотовых сетей связи стандарта GSM. В дальнейшем по заказу компании "Мобильные ТелеСистемы" был проведен летный эксперимент, позволивший существенно уточнить эти нормы. В разработке норм ЧТР активно участвовали М. А. Быховский, В. О. Тихвинский, Ю. А. Громаков, В. П. Высочин, Ю. Н. Луговской и др.

Последние годы в ЦА ЭМС под руководством А. И. Куштуева, М. А. Быховского и В. О. Тихвинского велись концептуальные работы по созданию условий для развития в России сетей сотовой и транкинговой подвижной связи различных стандартов, разработке норм ЧТР, позволяющих совмещать эти сети с другими РЭС, работающими в том же диапазоне частот, велась большая организационная работа по проведению конкурсов на право операторской деятельности в области сотовой и транкинговой связи.

Ведутся масштабные работы по проблемам эффективного использования РЧС и обеспечения ЭМС в сетях подвижной связи. Среди направлений научно-исследовательской деятельности ЦА ЭМС: разработка общей технической политики по использованию РЧС в сетях сотовой подвижной связи (СПС), методологии частотного планирования сетей СПС, рекомендаций по обеспечению ЭМС РЭС сетей СПС, а также условий их совместного использования с другими РЭС гражданского назначения; прогнозирование зон покрытия сетей СПС на основе цифровых карт местности; создание базы данных по сетям СПС России; приграничная координация частотных присвоений РЭС.

Результаты научных исследований в области подвижной связи широко публикуются в научных журналах [19-21].

На основе разработанной методологии анализа ЭМС и частотно-территориального планирования сетей подвижной радиосвязи различного назначения создаются автоматизированные системы проектирования и анализа ЭМС РЭС, а также проводятся экспертизы заявок на выделение частотных каналов для этих сетей.

В ЦА ЭМС под руководством С. Н. Дудукина и при активном творческом участии Н. В. Смирнова, А. В. Гуляева и М. В. Селиванова создана современная автоматизированная система проектирования и анализа ЭМС сетей подвижной связи на основе цифровых карт местности, использующая базу данных частотных присвоений РЭС сетей СПС России, а также автоматизированная система назначения частотных каналов для сетей подвижной связи GSM-900 с учетом необходимости обеспечения ЭМС средств воздушной радионавигации. В этой работе активно участвовали Л. Н. Батурин и П. Н. Мамченков.

Только за последние несколько лет в ЦА ЭМС выполнены научные, проектные и экспериментальные работы, позволившие создать почти во всех регионах России 43 сети транкинговой связи и 143 сети сотовой связи стандартов GSM-900, DCS-1800, AMPS, CDMA.

Центр анализа ЭМС регулярно проводит представительные научно-технические конференции, посвященные проблемам развития современных технологий радиосвязи. За последние два года были проведены конференции и выпущены Труды, посвященные системам подвижной связи 2-го и 3-го поколений: TETRA, CDMA [22], DECT [23] и UMTS [24]. В этих конференциях принимали участие многие отечественные операторские компании и зарубежные фирмы, производящие оборудование, известные ученые.

Устройства защиты РЭС от помех и повышения эффективности использования РЧС
Важным направлением деятельности ЦА ЭМС в течение ряда лет были исследования технических возможностей подавления разного рода помех в системах связи и повышения эффективности использования РЧС.

Идеологом и научным руководителем этих работ был М. А. Быховский при активном участии Г. Г. Гурьянова, А. С. Терехова, К. В. Захарова.

По заказу Министерства связи СССР были выполнены крупные НИР, в рамках которых велись теоретические исследования возможностей создания компенсаторов радиопомех для многоканальных систем связи с частотной модуляцией, широко используемой в радиорелейных и спутниковых линиях связи. Были разработаны также оригинальные технические предложения по повышению эффективности использования РЧС в системах связи с ЧМ. Теоретически и экспериментально были исследованы методы подавления мощных импульсных помех в системах связи с ЧМ, в которых передаются сигналы многоканальной телефонии и телевидения.

Результаты проведенных исследований публиковались в научных журналах, докладывались на многих научных конференциях, а также представлялись в виде вкладов национальной администрации связи в ИК МСЭ и нашли отражение во многих Отчетах и Рекомендациях МСЭ. В частности, разработанный М. А. Быховским и А. П. Павлюком подход к оценке эффективности использования спектра на основе сравнения с идеальной "Шенноновской" системой вошел в качестве самостоятельного раздела в фундаментальную Рекомендацию МСЭ-Р SM.1046-1 "Определение степени и эффективности использования спектра радиосистемой" [25].

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований было создано устройство подавления импульсных помех [26] для станций отечественной тропосферной сети "Север", позволившее решить важную и сложную техническую проблему совмещения этих станций со средствами воздушной радионавигации, работающими в том же диапазоне частот.

Международная деятельность
Сотрудники ЦА ЭМС активно участвовали в многочисленных всемирных и региональных конференциях радиосвязи, всемирных конференциях развития электросвязи и Полномочных конференциях МСЭ. Было подготовлено около 100 вкладов от нашей страны в Исследовательские комиссии МСЭ-Р и МСЭ-Д, нашедших отражение в многочисленных Рекомендациях, Отчетах и Справочниках МСЭ.

Серьезная подготовка велась к всемирным конференциям радиосвязи 1959 г. (ВКР-59), ВКР-79, ВКР-92, ВКР-95 и ВКР-97. На этих конференциях решались важные для страны вопросы, связанные с пересмотром Регламента радиосвязи, процедур международной координации частот, процедур нотификации и регистрации в МСЭ частотных присвоений и т. д. Успешная работа российских делегаций на этих конференциях и проведение многочисленных двусторонних и многосторонних координационных собраний ускорили развитие средств и сетей спутниковой связи и вещания как гражданского, так и правительственного назначения. Это также во многом определило успехи нашей страны в освоении космического пространства пилотируемыми и автоматическими космическими аппаратами.

К региональным и всемирным радиоконференциям, прошедшим в 1974-84 гг., были проведены работы по подготовке технических основ частотного планирования и проектов национальных частотных планов для НЧ и СЧ радиовещания, ОВЧ радиовещания, а также по использованию ВЧ полос частот.

В НИИР под руководством и при непосредственном участии В. В. Тимофеева успешно решались все основные вопросы международно-правовой защиты отечественных спутниковых систем связи и вещания [27, 28].

Руководство работами по международной тематике в НИИР осуществляли С. В. Бородич и А. И. Куштуев при активном участии многих сотрудников ЦА ЭМС: В. В. Тимофеева, М. А. Быховского, А. П. Павлюка, А. И. Калинина, В. Н. Троицкого, Л. В. Надененко, В. Г. Дотолева, В. В. Ноздрина, В. О. Тихвинского, И. Л. Папернова, П. Н. Мамченкова.

Два ведущих сотрудника ЦА ЭМС, участвующие в международной работе и пользующиеся большим авторитетом в МСЭ, избраны вице-председателями Исследовательских комиссий МСЭ: с 1990 г. по настоящее время А. П. Павлюк (ИК-1 МСЭ-Р), а в 1998 г. В. В. Ноздрин (ИК-2 МСЭ-Д).

Сотрудники ЦА ЭМС активно отстаивают государственные интересы России в области использования РЧС в работе многих других международных организаций: Европейского института стандартизации (ETSI), Международного научного союза (УРСИ), Европейской конференции почт и телеграфа (СЕРТ), в работе Европейского радиокомитета (ERC) и Европейской ассоциации научных и технических исследований при европейском союзе (COST).

Конверсия и управление РЧС
В 1993-1996 гг. НИИР как головная организация выполняет большой комплекс научно-исследовательских работ по Программе конверсии РЧС, одобренной Правительством Российской Федерации. Работы велись совместно специалистами ЦА ЭМС Госкомсвязи и Минобороны, а также научных институтов других ведомств.

В рамках выполнения этой Программы с участием специалистов ЦА ЭМ разработана Концепция использования РЧС в России, подготовлен проект федерального закона "Об использовании РЧС в России", выполнен ряд НИР, направленных на высвобождение полос частот для развития в стране систем радиосвязи и вещания. В результате появились возможности выделения частотных каналов для сетей сотовой и транкинговой подвижной связи, вещания, систем радиорелейной связи, и эти системы получили мощный импульс для своего развития.

Специалистами ЦА ЭМС был сделан ряд предложений по совершенствованию отечественной системы управления РЧС [29, 30] и др.

В настоящее время на ЦА ЭМС возложена роль головной организации по выполнению одобренной ГКРЧ России Программы "Спектр-2000", которая должна открыть возможность развития в России в XXI веке новейших технологий радиосвязи и вещания.

Центр анализа ЭМС определен головной организацией в России по проведению работ, связанных с развитием в стране систем подвижной связи 3-го поколения, систем цифрового звукового и телевизионного вещания. Научным руководителем этих работ является директор НИИР Ю. Б. Зубарев. К концу 1999 г. должна быть разработана концепция внедрения в России сетей сотовой подвижной связи 3-го поколения и решены вопросы, связанные с выделением РЧС для их развития.

Выделение полос частот для развития в России новых перспективных радио-технологий весьма проблематично, поскольку значительные полосы частот выделены для правительственных нужд и выделение полос частот для гражданских систем требует конверсии РЧС, основанной на исследованиях, которые ведутся совместно специалистами ЦА ЭМС Гостелекома и Минобороны.

За последние годы накоплен большой положительный опыт взаимодействия этих специалистов при проведении подобных работ. В результате сегодня успешно и в сжатые сроки решаются многие вопросы обеспечения необходимым частотным ресурсом новых систем радиосвязи и вещания.

В заключение отметим, что в Центре готовятся предложения для Гостелекома по проведению аукционов на выделение РЧС для сетей подвижной связи и радиоснстем распределения телевизионных программ.

По заданиям Главгоссвязьнадзора РФ ЦА ЭМС выполняет большой объем работ, связанных с экспертизой заявок на частотные присвоения конкретным радиосредствам, активно сотрудничает со многими фирмами, осуществляя исследования по интересующим их проблемам.

Выпущенный Центром анализа ЭМС на русском и английском языках "Регламент радиосвязи Российской Федерации" [31] может служить руководством для операторов систем радиосвязи по правилам и процедурам использования средств радиосвязи, телевидения и радиовещания в Российской Федерации.

Центр анализа ЭМС - член таких международных организаций, как UMTS-FORUM, которая занимается вопросами развития систем подвижной связи 3-го поколения, и ETSI - Европейский институт стандартизации; имеет лицензию на проведение топографо-геодезических и картографических работ.

Руководители ЦА ЭМС

Александр Павлович Павлюк - кандидат технических наук, академик Международной академии информатизации (МАИ), вице-председатель 1-й Исследовательской комиссии "Управление использованием РЧС" МСЭ, которая является основным международным органом по разработке рекомендаций по всем аспектам управления использованием РЧС, включая частотное планирование, обеспечение ЭМС и радиоконтроль. Работает в НИИР с 1960 г. В 1975-1977 и 1992-1997 гг. руководил ЦА ЭМС. В настоящее время -ведущий научный сотрудник ЦА ЭМС, возглавляет общее направление работ по международно-правовой защите интересов Администрации связи Российской Федерации по линии МСЭ. Под его руководством разработан ряд отечественных нормативных документов на параметры ЭМС РЭС, создана первая в стране автоматизированная система назначения частотных каналов телевизионным станциям, выполнены крупные разработки в области радиоконтроля. Имеет более 130 публикаций в отечественных и зарубежных научных изданиях, трудах конференций и вкладов по линии МСЭ, МЭК и СИСПР, 5 авторских свидетельств.

Марк Аронович Быховский - кандидат технических наук, академик МАИ, специалист в области теории информации и помехоустойчивости систем связи, методов и автоматизированных комплексов анализа ЭМС радиосистем, частотного планирования систем подвижной радиосвязи и радиовещания, проблем управления использованием РЧС. Автор 150 научных работ и 45 изобретений в области радиосвязи и методов обеспечения ЭМС радиосистем. Работает в НИИР с 1962 г. Имеет большой опыт работы в области систем радиосвязи различного назначения. В составе ЦА ЭМС работает с момента его основания в 1975 г. Как ответственный исполнитель и руководитель участвовал в выполнении многих важных работ по созданию методик, программ и автоматизированных систем, предназначенных для решения проблем эффективного использования РЧС в России. Руководил многими комплексными НИР, выполненными в 1993-1996 гг. специалистами разных ведомств в рамках Программы конверсии РЧС, одобренной Правительством России. Выполненные НИР позволили выделить в стране РЧС для развития новых радиотехнологий. С 1997 г. возглавляет ЦА ЭМС. Принимает активное участие в работе ИК-1 и 8 МСЭ-Р, а также технических комитетов ETSI и ERC.

Валерий Викторович Тимофеев - кандидат технических наук, академик Международной академии связи (MAC) и член-корр. Академии космонавтики. Автор более 70 научных статей и 12 изобретений в области антенной техники и радиосвязи. Соавтор трех книг по вопросам спутниковой связи: Справочник "Спутниковая связь и вещание", "Спутниковое вещание" и "Спутники связи и проблема геостационарной орбиты". Работал в НИИР с 1960 г. В 1968 г. успешно защитил кандидатскую диссертацию в области антенной техники. В 1970 г. закончил Академию внешней торговли по специальности экономист-международник. С 1970 по 1974 г. работал в Международном комитете по радиочастотам МСЭ, занимаясь вопросами обеспечения ЭМС радиосистем ВЧ диапазона. С 1974 по 1977 г. возглавлял в НИИР сектор, выполнявший работы по координации и частотному планированию спутниковых систем связи и вещания. Возглавлял делегации Администрации связи нашей страны, ведущие переговоры по координации отечественных спутниковых систем. В 1977-1992 гг. руководил в НИИР ЦА ЭМС Минсвязи. Под его руководством были выполнены НИР в области обеспечения ЭМС и радиоконтроля наземных и спутниковых систем радиосвязи и вещания. С 1992 г. - заместитель председателя ГКРЧ России, в настоящее время - заместитель председателя Гостелекома и ГКРЧ России. В. В. Тимофеев - один из крупнейших в России ученых в области управления использованием РЧС, инициатор одобренной Правительством Программы конверсии РЧС, успешно выполненной в 1994-1997 гг. На Полномочных конференциях МСЭ в 1992 и 1994 гг. В. В. Тимофеев избирался членом Регламентарного комитета МСЭ, был вице-председателем и председателем этого комитета.

Литература

Pavliouk A. P. Measurement of bandwidth and out-of-band spectra of emissions. URSI International Symposium on Measurement in Telecommunications. Lannion, France, 1977.
Логинов Н. А., Павлюк А. П. Подход к автоматизации системы управления использованием радиочастотного спектра Российской Федерации // Труды НИИР. - 1998.
ITU-R Recommendations. Volume 1997, SM Series: Spectrum Management. Geneva, 1997.
ITU-R Recommendations. Volume 1997, IS Series: Inter-service sharing and compatibility. Geneva, 1997.
МСЭ. Справочник по управлению использованием радиоспектра на национальном уровне. Женева, 1995.
МСЭ. Справочник по радиоконтролю, Женева, 1995.
Быховский М. А., Папернов И. Л., Хоробрых С. Т. Методика анализа ЭМС негеостационарных спутниковых радиосистем с геостационарными спутниковыми и наземными радиосистемами // Электросвязь. - 1995. - № 6.
Методики для определения норм ЧТР и защитных отношений для РЭС гражданского назначения. (Научно-технический отчет по НИР "Каталог-2"), НИИР, 1989.
Материалы научно-технической конференции "Автоматизированные системы управления использованием радиочастотным спектром" - НИИР (ЦА ЭМС), 1998.
Калинин А. И. Распространение радиоволн на трассах наземных и космических радиолиний. -М.: Связь, 1979.
Троицкий В. Н. Дальнее распространение ультракоротких волн, обусловленное рассеянием в снежном и ледовом покровах горных вершин и хребтов. Электромагнитные волны в атмосфере и космическом пространстве. - М.: Наука, 1996.
Методика расчета трасс цифровых РРЛ прямой видимости в диапазоне частот 2-20 ГГц. НИИР, 1998. (Утверждена Госкомсвязи России).
Методика расчета статистических характеристик мешающих сигналов в диапазоне 60 МГц - 40 ГГц для географических и климатических условий различных регионов России. НИИР, 1996. (Утверждена ГКРЧ России).
Новаковский С. В., Кустарев А. К. Основы частотного планирования передающей сети /Сб.: Ретрансляция телевизионных передач. -НИИР, 1956.
Сайкин Н. М., Трунов В. И. Принципы технического планирования передающих сетей телевизионного и УКВ вешания. - М.: Связьиздат, 1960.
Локшин М. Г., Шур А. А., Кокорев А. В., Краснощекое Р. А. Сети телевизионного и звукового ОВЧ ЧМ вещания. - М.: Радио и связь, 1988.
Зубарев Ю. Б., Быховский М. А., Дотолев В. Г. Проблемы выделения полос частот для внедрения в России наземного цифрового телевизионного вещания. // Электросвязь. - 1999. - № 10.
Зубарев Ю. Б., Кривошеев М. И., Быховский М. А., Дотолев В. Г., Шавдия Ю. Д. Концепция внедрения наземного цифрового телевизионного и звукового вещания в России // Connect! Мир связи. - 1999. - № 6.
Быховский М. А., Дудукин С. И., Смирнов В. Н., Тихвинский В. О. Принципы, алгоритмы и методика частотно-территориального планирования региональных сетей транкинговой радиотелефонной связи в диапазоне 800 МГц // Мобильные системы. - 1998. - № 9.
Быховский М. А., Дудукин С. Н., Тихвинский В. О. Оценка ЭМС сотовых систем связи стандартов D-AMPS (AMPS) и CDMA в диапазоне частот 800 МГц // Электросвязь. -1998. -№ 10.
Быховский М. А., Гуляев А. В., Куштуев А. И., Мамченков П. Н., Тихвинский В. О. Проблемы выделения радиочастотного спектра для развития подвижной связи в России // Мобильные системы. - 1999. -№ 2.
CDMA-800 в России. Труды конференции "Особенности и опыт создания в России стационарных сетей беспроводного доступа на основе технологии с кодовым разделением каналов в диапазоне частот 800 МГц стандарта IS-95". Кипр, ЦА ЭМС, ноябрь 1998.
DECT в России. Труды конференции "Особенности и опыт создания в России сетей беспроводного доступа на основе технологии DECT". ЦА ЭМС, Греция, апрель 1999.
UMTS в России. Труды конференции "Перспективы создания в России сетей подвижной связи 3-го поколения". Мальта, сентябрь 1999.
ITU-R Recommendations, Volume SM Series: Spectrum Management. Recommendation ITU-R SM. 1046-1. Definition of spectrum use and efficiency of a radio system. Geneva, 1997.
Быховский М. А., Берноскуни Ю. В., Плеханов B. B., Тимофеев В. В. Эффективный метод подавления импульсных помех в тропосферных системах связи // Электросвязь. - 1984. - № 9.
Тимофеев В. В., Паянский Ю. М., Трофимов А. И. Некоторые проблемы практической координации и эффективность использования геостационарной орбиты // Электросвязь. - 1980. -№ 3.
Кантор Л. Я., Минашин В. П., Тимофеев В. В. Спутниковое вещание. - М.: Радио и связь, 1980.
Быховский М. А. Управление использованием радиочастотного спектра и развитие радиосвязи и вещания в России // Электросвязь. -1997. -№ 12.
Быховский М. А., Куштуев А. И., Ноздрин В. В., Павлюк А. П. Проведение аукционов - эффективный современный метод управления использованием -радиочастотного спектра // Электросвязь. - 1998. - № 12.
Регламент радиосвязи Российской Федерации - НИИР (ЦА ЭМС), 1999. ( http://www.caemc.ru).
Статья опубликована в журнале "Электросвязь" №10, 1999 г., стр. 25.
Перепечатывается с разрешения редакции.







От Офф-Топик
К Офф-Топик (20.06.2002 01:57:43)
Дата 20.06.2002 01:59:15

История регламента радиосвязи




Расширение используемого диапазона частот
Развитие радиосвязи и вещания неразрывно связано с решением сложнейших технических вопросов использования частотного спектра. Поэтому историю этого развития целесообразно начать с изложения истории освоения диапазонов частот и расширения областей применения радиосвязи в различных сферах человеческой деятельности. Сегодня имеются следующие основные области применения радиосистем:

служба радиовещания (звукового (3В) и телевизионного (ТВ) наземного и спутникового. Услугами этой службы сегодня пользуются более миллиарда людей, и для нее выделены значительные участки спектра в разных диапазонах частот;
фиксированная служба, к которой относятся как радиосистемы фиксированной связи, обеспечивающие передачу многоканальных сообщений между двумя фиксированными пунктами на земной поверхности средствами наземной и спутниковой связи, так и системы абонентского радиодоступа, позволяющие подключать отдельных абонентов к сети связи общего пользования;
системы наземной и спутниковой подвижной связи, которые за последние двадцать лет приобрели огромное значение. Сегодня количество абонентов сотовых систем связи во всем мире приближается к 650 миллионам, и ожидается, что в первом десятилетии XXI века оно превысит один миллиард;
системы радионавигации и радиолокации, обеспечивающие управление движением воздушного, морского и сухопутного транспортов и их безопасность, а также всемирная спутниковая служба точного времени и частоты, играющие значительную роль в современной технике. Возрастающее значение последней обусловлено тем, что общей тенденцией развития систем связи является объединение отдельных цифровых систем связи в общую, глобальную цифровую сеть обмена сообщениями. Сигналы единого времени для всех станций позволяют избежать потерь в пропускной способности такой сети при асинхронном сопряжении цифровых потоков информации;
весьма важно применение радио для различных научных и прикладных исследований: поверхности Земли, космического пространства, в области радиоастрономии и т. п.
В XX веке колоссально возросло количество действующих радиостанций. Приведем некоторые цифры, характеризующие рост количества действующих вещательных радиостанций: к 1927 году в мире (США и Европа) действовало более 500 вещательных станций, к 1947 году в диапазоне частот ниже 20 МГц в Международном регистре частот было зарегистрировано уже 45 000 радиостанций гражданского назначения, а к 1984 году в полосе 87,5 - 108 МГц в диапазоне очень высоких частот (ОВЧ) работали 53 000 станций с частотной модуляцией (ЧМ).

Интенсивность использования радиочастотного спектра (РЧС) постоянно возрастала и сопровождалась перегрузкой частотного спектра и необходимостью решения чрезвычайно острых проблем устранения взаимных помех между работающими радиостанциями. Это требовало на всем протяжении истории развития радиосвязи и вещания разработки процедур проведения международной координации наземных и спутниковых систем связи, принятия международно-признанных стандартов на параметры радиооборудования, методов радиоконтроля за работой действующих радиосистем, методов частотного планирования сетей радиосвязи и вещания, а также расширения используемого спектра частот.

Первый Регламент радиосвязи (РР) был принят в Международном союзе электросвязи (МСЭ) в 1903 году. Он содержал правила ведения связи и Таблицу распределения полос частот (ТРЧ) для существовавшей в то время всего одной морской подвижной службы. Этот РР уточнялся в 1906, 1912 и 1920 годах. В 1927 году был принят новый РР, который ввел новые радиослужбы: вещания, воздушную подвижную (ВПС) и фиксированную (ФС) - к этой службе относились радиосистемы, обеспечивающие передачу сообщений между двумя фиксированными пунктами на земной поверхности. В ТРЧ была значительно расширена используемая полоса частот (с 10 до 60 000 кГц).

Первые двадцать лет развития радио ученые и инженеры полагали, что радиоволны с частотой выше 200 кГц практически не пригодны для радиосвязи, и до 1922 года их было разрешено использовать для любительской связи. Однако после того, как радиолюбители установили, что с помощью маломощных радиостанций, работающих в диапазоне высоких частот (ВЧ), можно поддерживать связь на тысячи километров, начались интенсивные исследования возможностей использования высокочастотных диапазонов для создания радиосистем разного назначения. В результате выполненных исследований, в которых приняли участие десятки тысяч ученых и инженеров многих стран мира, совершенствовалась передающая, приемная и антенная техника, расширялись знания в области распространения радиоволн.

С начала 20-х годов одной из основных областей применения радио становится вещание. Почти на всех Всемирных радиоконференциях (ВРК), проводимых МСЭ, рассматривались вопросы расширения полос частот для службы вещания, частотного планирования сетей вещания и стандартизации их параметров. В 1925 году был организован Европейский союз вещания (EBU). Эта организация и в настоящее время играет значительную роль в развитии современных систем вещания. К середине 30-х годов была установлена возможность вещания с помощью широкополосной частотной модуляции. В эти же годы радиосвязь начала широко применяться в авиации. В 1938 году для развития служб вещания, ВПС, ФС и любительской службы ТРЧ была расширена до 200 МГц.

В течение предвоенных и военных лет (до 1945 г.) существенное развитие получила техника сверхвысоких частот (СВЧ) и были освоены диапазоны частот до 10 ГГц и даже до 30 ГГц.

Во время войны работы в области международного регулирования использования радиочастотного спектра были приостановлены. Однако сразу после окончания Второй мировой войны, в 1947 году, на ВРК была принята новая ТРЧ, регламентирующая использование полос частот различными службами вплоть до 10,5 ГГц.

Новый этап развития радиосистем начался в 1957 году после запуска в СССР первого искусственного спутника Земли. Появляются спутниковые службы: вещания (ССВ), фиксированная (ФСС), космических исследований (КИ) и т. п. На ВКР в 1959 году выделяются полосы частот для развития спутниковых служб, и ТРЧ расширяется до 40 ГГц. Совершенствование и весьма высокие темпы развития радиотехники, радиосвязи и вещания, расширение областей их применения постоянно требуют увеличения используемой полосы частот, и на ВРК в 1971 и 1979 годах принимаются решения о расширении ТРЧ вначале до 275 ГГц, а затем до 400 ГГц.

В последние десятилетия XX века появляется значительное количество новых радиотехнологий, которые обеспечат беспрецедентно высокий уровень развития радиосвязи и вещания в XXI веке. На ВРК регулярно ведется работа по выделению для этих технологий полос частот, и в связи с этим международным сообществом принимаются решения о перераспределении в пользу новых технологий имеющегося частотного ресурса, в котором сегодня работают морально устаревшие системы.

Только в течение последнего десятилетия XX века были выделены полосы частот для развития следующих радиотехнологий:

телевидения высокой четкости (ТВЧ),
цифрового звукового и телевизионного вещания,
систем наземной и спутниковой подвижной связи 3-го поколения в диапазоне 2ГГц,
воздушной подвижной системы связи общего пользования,
глобальных спутниковых систем связи "Teledesic", "Sky Bridge" и др.,
систем фиксированной связи высокой плотности и др.
Об исторических этапах создания всех этих технологий будет кратко рассказано в этой книге.

Развитие радиосистем и расширение областей их применения происходит так быстро, что диапазоны частот ниже 20 ГГц в развитых странах сегодня оказались перегруженными действующими системами. В настоящее время создаются и внедряются системы радиосвязи, работающие в диапазоне частот вплоть до 60 ГГц. Высокочастотные диапазоны предполагается использовать для создания глобальных спутниковых систем фиксированной связи, а также для так называемых систем наземной фиксированной связи высокой плотности, в которых за счет высокой направленности приемных и передающих антенн на ограниченной территории в общей полосе частот может развертываться большое количество линий фиксированной связи.

Радиоволны распространяются, не зная границ между странами, и поэтому эффективное использование РЧС - этого важнейшего природного ресурса - возможно только при проведении всеми странами мира согласованной технической политики. Поэтому характерной чертой XX столетия является постоянное расширение и укрепление международного сотрудничества в решении всех важнейших вопросов развития радиосвязи и вещания как на мировом, так и на региональном уровнях. Это сотрудничество в области радио, начавшееся в МСЭ в 1903 году, а позже и в других международных организациях, постоянно расширяется. Сегодня все страны мира определяют свою национальную техническую политику развития связи с учетом интересов всего мирового сообщества. Мир идет к созданию единых для всех стран стандартов на системы связи и вещания различных назначений, по которым любая фирма может начать производство соответствующего оборудования. Это позволяет организовать его массовое производство, сделав его стоимость и стоимость услуг связи весьма низкой и доступной для широких слоев населения.

Для объединения интеллектуальных и технических ресурсов разных стран, помимо МСЭ, в Азии, Америке и Европе создан ряд международных технических организаций, занимающихся вопросами стандартизации радиосистем различного назначения. Весьма важную роль в разработке стандартов на системы радиосвязи и вещания играет Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI), основанный в 1988 году. В ETSI разработан ряд стандартов на цифровые системы подвижной и фиксированной связи и вещания, по которым крупнейшими фирмами выпускается оборудование, находящее широчайшее применение во многих странах мира.


--------------------------------------------------------------------------------

Хронология
1903 год В Берлине состоялась подготовительная Международная радиоконференция, в которой участвовало девять стран; была принята Радиоконвенция, подобная подписанной в 1875 году в Санкт-Петербурге Конвенции Международного телеграфного союза (основанного в 1865 г.), также был принят первый Регламент радиосвязи. В этой конференции в составе российской делегации участвовал один из признанных основоположников радиосвязи А. С. Попов.
1906 год Состоялась Первая Всемирная радиоконференция, на которой частотные каналы 1000 и 500 кГц в диапазоне низких частот (НЧ) были выделены для морской подвижной службы общего пользования, для связи с береговыми станциями (188 кГц) и для военных станций (188 и 500 кГц). Кроме того, определен сигнал бедствия (SOS). В конференции участвовало 30 стран.
1912 и 1920 годы В Лондоне и Вашингтоне состоялись ВРК, на которых был пересмотрен первый РР и велась подготовка к ВРК 1927 года.
1927 год Состоялась ВРК, на которой был пересмотрен РР, учрежден Международный консультативный комитет по радио (МККР) и составлена Таблица распределения частот от 10 до 60 000 кГц между службами вещания, воздушной подвижной и фиксированной. На ВРК установлены ограничения на параметры излучения передающих устройств, введены ограничения на использование искровых передатчиков.
1932 год В Мадриде состоялась ВРК; на ней рассматривалась весьма актуальная проблема - защита радиосистем от радиопомех. Для развития вещания были выделены дополнительные полосы частот в диапазоне средних частот (СЧ), для европейского региона составлен частотный план для НЧ и СЧ диапазонов, разработаны Рекомендации МСЭ по стабильности частоты и ширине полосы частот передатчиков; установлены правила регистрации частот в Международном радиобюро в Берне (решения данной ВРК игнорировались рядом стран).
1933 год В городе Люцерна (Швейцария) состоялась Европейская радиовещательная конференция, на которой был составлен региональный план для службы вещания (в ее работе приняли участие 35 стран, разработанный план не был принят 19 странами, зарезервировавшими свою позицию).
1937 год В Гаване состоялась Американская радиовещательная конференция, на которой был составлен региональный план для службы вещания (в ее работе участвовали 16 стран).
1938 год В Каире состоялась Первая Всемирная административная радиоконференция; на ней ТРЧ была расширена до 200 МГц; выделена полоса частот шириной 500 кГц для вещания на высоких частотах, а также полосы 40.5-200 МГц для радиовещательной (звуковое и телевизионное вещание) и 7.2-7.3 МГц для радиолюбительской служб, пересмотрены Рекомендации на стабильность частоты и необходимую полосу излучения передатчиков.
1946 год В Москве состоялась подготовительная Конференция к ВРК, в работе которой участвовали страны-победители во Второй мировой войне -СССР, США, Великобритания, Франция и Китай.
1947 год В городе Атлантик-Сити (США) состоялась ВРК, на которой ТРЧ была расширена до 10.5 ГГц; на этой же конференции были выделены полосы частот для ОВЧ-ЧМ вещания; дополнительно расширены полосы частот для службы ВЧ вещания и ВПС; рассмотрены проблемы частотного планирования для ВЧ вещания; выделена полоса частот (10-2850 кГц) для международной радионавигационной системы Лоран.
1951 год В Женеве состоялась ВРК по подготовке плана ВЧ вещания в тропических районах.
1959 год В городе Атлантик-Сити (США) состоялась ВРК, на которой пересмотрен РР и ТРЧ расширена с 10.5 ГГц до 40 ГГц, выделены полосы частот для новых спутниковых служб.
1960 год В Женеве состоялась специальная Европейская конференция, на которой были рассмотрены вопросы выделения полос частот для следующих служб: подвижной, фиксированной и вещания.
1961 год В Стокгольме состоялась конференция, на которой разработан европейский частотный план для ОВЧ-ЧМ вещания.
1971 год В городе Киото (Япония) состоялась ВКР, на которой ТРЧ была расширена с 40 до 275 ГГц.
1976 год В Женеве состоялась региональная конференция по планированию НЧ и СЧ вещания в Европе.
1977 год В Женеве состоялась ВРК, на которой был пересмотрен РР и составлен План для спутникового вещания в 1-м регионе в диапазоне частот 11.7-12.5 ГГц.
1979 год В Женеве состоялась ВРК, на которой был пересмотрен РР и до 400 ГГц расширена ТРЧ.
1982 год Состоялась региональная конференция, на которой были подготовлены технические основы планирования сетей ОВЧ-ЧМ вещания в 1-м регионе.
1984 год Состоялась ВРК, на которой были разработаны основы частотного планирования сетей ВЧ вещания.
1985 год В Женеве состоялась региональная конференция, на которой пересмотрен частотный план развития ОВЧ-ЧМ вещания в Европе.
1986 год В Женеве разработаны технические основы планирования НЧ вещания в диапазоне 1605-1705 МГц.
1986 год В городе Найроби (Кения) состоялась ВРК, на которой были разработаны технические критерии планирования сетей ТВ вещания.
1992 год В городе Малага-Торемолис (Испания) на ВРК частично пересмотрена ТРЧ; выделены полосы частот: для телевидения высокой четкости (ТВЧ), для цифрового звукового вещания, для системы наземной и спутниковой подвижной связи третьего поколения в диапазоне 2 ГГц, для воздушной подвижной службы общего пользования; выделены дополнительные полосы частот для ВЧ вещания и др.
1997 год В Женеве на ВРК выделены полосы частот 18.8-19.3 ГГц (линия вниз) и 28.6-29.1 ГГц (линия вверх) для развития в XXI веке глобальной цифровой спутниковой системы "Teledesic", которая сделает общедоступной организацию связи с возможностью передачи сигналов телефонии, данных, изображений и подключение к всемирной сети Интернет в любом месте мира.
1997 год В Женеве состоялась ВРК, на которой были выделены полосы частот 47.2-47.5 и 47.9-48.2 ГГц для стратосферных систем фиксированной связи высокой плотности; на этой ВРК было решено выделить для фиксированных служб высокой плотности ряд полос частот выше 30 ГГц.
2000 год В Стамбуле состоялась ВРК, на которой решались вопросы расширения полос частот для систем подвижной связи третьего поколения, а также распределения частотных каналов для непосредственного спутникового вещания в диапазоне 12 ГГц между разными странами.

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения автора.
От Офф-Топик
К Офф-Топик (20.06.2002 01:59:15)
Дата 20.06.2002 02:00:10

История теории связи




Теория связи
Перед чем останавливаешься и замираешь в священном трепете и безмолвном уважении - это перед миром мысли. Ибо мир мысли - единственная реальность в том водовороте привидений и призраков, который зовется реальным миром.

Иво Андрич

Электросвязь относится к сфере высоких технологий и ее развитие в значительной степени обусловлено достижениями в области теории связи. Конечно, многие важные изобретения и системы были предложены и созданы инженерами, исходя из соображений интуитивного характера еще до появления строгой теории. Весьма часто многие из выдвинутых идей, которые сегодня воспринимаются специалистами как азбучные истины, опережали время и оказывались востребованными только спустя десятилетия после своего рождения. Фундаментальные положения современной теории связи формировались постепенно в результате жарких и продолжительных дискуссий между учеными. Однако в итоге полученные в этой теории результаты в значительной степени определили колоссальный прогресс в области электросвязи, достигнутый в XX столетии.

Можно выделить несколько разделов теории связи, оказавших существенное влияние на создание систем радиосвязи и вещания в XX столетии: теория сигналов (теория модуляции), к которой относятся спектральный анализ, теория аналитического сигнала и теорема отсчетов; статистическая радиотехника; теория потенциальной помехоустойчивости и теория информации. Эти разделы определяют фундаментальные законы передачи и приема аналоговых и цифровых сигналов в различных каналах связи и дают адекватный математический язык для описания этих законов.

Теория сигналов
Первые теоретические исследования в области связи сформировали важнейшие и общепринятые сегодня понятия, касающиеся спектров сигналов. Впервые существование боковых полос частот в спектре амплитудно-модулированных (AM) колебаний установил в 1916 году русский ученый, а впоследствии советский академик М. В. Шулейкин.

Концепция спектра колебаний, излучаемых в эфир, в течение почти пятнадцати лет вызывала ожесточенные дискуссии между учеными. Противником ее использования был, в частности, такой крупный специалист в области радиосвязи, как изобретатель вакуумного диода Дж. А. Флеминг. Значительный вклад в утверждение этой концепции сделал известный американский ученый Дж. Р. Карсон, впервые определивший и исследовавший спектр ЧМ сигналов. Советские ученые академик Л. И. Мандельштам и член-корреспондент АН СССР С. М. Рытов дали четкую и физически ясную трактовку основных понятий спектрального анализа и способствовали их внедрению в обиходный инженерный язык.

Значительное количество теоретических работ было выполнено для нахождения спектра частотно-модулированных (ЧМ) колебаний. Это связано с тем, что начиная с 30-х годов и почти до самого конца XX века на базе ЧМ создавались системы вещания и огромное количество систем радиосвязи самого разного назначения. Важные исследования в данном направлении были выполнены Дж. Р. Карсоном и Е. И. Манаевым, установившими формулы для ширины полосы частот, занимаемой ЧМ сигналом, С. В. Бородичем и Р. Г. Медхерстом, определившими спектр ЧМ сигнала для случая, когда по радиорелейной или спутниковой линии связи передается сигнал многоканальной телефонии. При этом модулирующий сигнал представляет собой случайный гауссовский процесс с ограниченным спектром.

Ученые многих стран провели многочисленные исследования, направленные на определение спектров сигналов, модулированных по амплитуде, фазе и частоте цифровыми сигналами, а также спектров сигналов, применяемых в системах связи с импульсными видами модуляции (фазово-импульсной, широтно-импульсной и т. д.).

Поскольку в электросвязи используются сигналы с ограниченным спектром, для их адекватного математического представления во временной области было введено важное понятие аналитического сигнала (АС), основанного на использовании преобразования Гильберта. Широкое использование АС в теории связи началось с 1962 года, после работ американского ученого Е. Бедросяна. Однако впервые АС был введен в теорию модуляции в 1951 году советским ученым И. С. Тетельбаумом, предложившим оптимальную амплитудно-фазовую модуляцию, о которой будет подробнее сказано в следующем разделе.

На основе АС американским ученым Г. Б. Велкером была построена оригинальная теория модуляции, в рамках которой, помимо традиционных, дано описание таких видов модуляции, как однополосная ЧМ и асимметричная амплитудная модуляция, называемая также совместимой AM с одной боковой полосой частот (совместимая ОБП), и ряда других. Особенностью сигналов совместимой ОБП является то, что они, с одной стороны, имеют в два раза более узкий спектр по сравнению с обычной AM, а с другой - их можно принять на обычный приемник AM вещания с амплитудным детектором.

Советским ученым Д. Е. Вакманом было дано определение амплитуды, фазы и частоты АС и было показано, как можно создать соответствующие устройства, выделяющие эти составляющие из широкополосного низкочастотного сигнала. Такие устройства находят применение в измерительной технике. Советские ученые Л. М. Финк и В. И. Коржик обобщили понятие АС на случай, когда передаваемый по каналу сигнал имеет конечную длительность.

Одним из важнейших результатов теории сигналов является теорема отсчетов, которая в России носит имя Котельникова, а в США - Найквиста - Шеннона. Эта теорема определяет, что любая функция, имеющая спектр, ограниченный частотой FB, однозначно определяется мгновенными значениями, взятыми через интервалы времени, кратные 1/2FB. Данная теорема, установленная в 1932 году, лежит в основе многих идей, на основе которых начиная с 40-х годов XX века стали создаваться импульсные и цифровые системы связи.

Теореме отсчетов посвящены сотни работ, в которых были сделаны ее обобщения на следующие случаи:

для многомерных функций (случай, характерный, например, для телевизионных сигналов);
для функций, отсчеты которых берутся в произвольные моменты времени;
для функций, у которых берутся отсчеты как самой функции, так и ее производной;
для стохастических функций и т. п.
Значительный вклад в обобщение теоремы отсчетов внесли советские и американские ученые (СССР - Д. В. Агеев, Н. К. Игнатьев, А. А. Харкевич, Я. Г. Хургин и В. П. Яковлев; США - А. Популис, Д. А. Линден и Н. М. Абрамсон, Д. Миддлтон, А. В. Балакришнан и др.).

В середине XX века широкое распространение получили многоканальные системы, в которых в качестве переносчиков сообщений, передаваемых в отдельных каналах, используются ортогональные гармонические колебания или отдельные интервалы времени (системы с частотным или временным уплотнением). В 1935 году советский ученый Д. В. Агеев заложил основы общей теории линейной селекции сигналов. Профессор Д. В. Агеев исследовал возможности применения в качестве переносчиков других, в том числе и неортогональных, функций. Его работа предвосхитила некоторые более поздние идеи применения широкополосных сигналов в многоканальных системах связи, выдвинутые в 50-х годах и продвинутые до практического внедрения.

Статистическая радиотехника
Современная теория связи базируется на математическом аппарате теории вероятностей и случайных процессов. Специфика задач радиотехники привела к разработке статистической радиотехники - методов решения специфических вероятностных задач, связанных с обработкой сигналов в устройствах связи.

Развитие в годы Второй мировой войны радиолокации и необходимость в максимальной степени повысить чувствительность локационных приемников, работающих в условиях действия случайных шумов, стимулировали теоретические исследования, связанные с обработкой случайных сигналов в приемных устройствах, содержащих как линейные фильтры, так и нелинейные элементы, такие как детекторы, частотные дискриминаторы, ограничители и т. д. Первое фундаментальное исследование, которое положило начало широкому применению статистических методов к разнообразным проблемам обработки сигналов в присутствии случайных шумов, было опубликовано в 1944 году одним из крупнейших и разностороннейших американских ученых С. О. Райсом.

Статистическая радиотехника интенсивно развивалась многими учеными. Основные ее результаты были получены в течение двадцати лет после публикации работы Раиса. Пользуясь разработанным математическим аппаратом, современный инженер может исследовать самые сложные алгоритмы обработки как аналоговых, так и цифровых сигналов и расчетным путем определить качество приема. Это дает мощное средство для проектирования современных систем.

Значительный вклад в развитие статистической радиотехники внесли советские и американские ученые (СССР - В. И. Бунимович, Р. Л. Стратонович, Б. Р. Левин, B. C. Пугачев, В. И. Тихонов; США - Д. Миддлтон, Дж. Ф. Баррет, А. Дж. Зигерт и др.).

Апофеозом исследований в области теории связи, выполненных до 40-х годов, стали созданные в середине 40-х годов теория потенциальной помехоустойчивости Котельникова и теория информации Шеннона.

Теория потенциальной помехоустойчивости
Многочисленные исследования различных методов передачи и приема сигналов начали проводиться с середины 30-х годов. Членом-корреспондентом Академии наук СССР В. И. Сифоровым выполнены фундаментальные исследования разных методов передачи цифровых сигналов с амплитудной, фазовой и частотной манипуляцией; американскими и советскими учеными исследована помехоустойчивость систем приема ЧМ сигналов; В. И. Сифоровым определена помехоустойчивость оптимального приема импульсных сигналов.

Весьма значительное влияние на развитие теории связи оказали работы выдающихся математиков XX века А. Н. Колмогорова и Норберта Винера, которые разработали теорию экстраполяции, интерполяции и сглаживания случайных процессов. Результаты этой теории сегодня составляют основу оптимальных методов обработки принимаемых сигналов в системах связи.

В 1947 году знаменитым советским ученым академиком В. А. Котельниковым была разработана фундаментальная теория потенциальной помехоустойчивости. Эта теория дала инженерам инструмент для синтеза оптимальных устройств обработки принимаемых сигналов на фоне шумов и помех, на ее основе были разработаны методы оценки качества приема аналоговых и цифровых сигналов в различных каналах связи. С возникновением этой теории появилась возможность создания оптимальных систем связи на твердом теоретическом основании, а не на неопределенных интуитивных представлениях, как это было до ее создания. Идеи этой теории служили руководством при создании многих современных систем связи. Ряд таких систем упоминается ниже в соответствующих разделах.

Независимо в это же время к этим идеям пришли также американские и английские ученые А. Дж. Зигерт, М. Вудворт, И. Л. Дейвис и Д. Миддлтон, которые внесли оригинальный и весьма значительный вклад в развитие этой теории и способствовали ее широкому распространению среди специалистов.

В ранних работах данная теория применялась для синтеза и анализа систем, работающих в канале связи без замираний. Однако в большинстве радиоканалов имеет место многолучевое распространение радиоволн, обуславливающее замирания уровня сигналов в месте приема. В последующие годы развитие теории происходило по следующим направлениям:

теория приема дискретных сигналов в каналах с замираниями и многолучевостью;
теория приема сигналов с аналоговой модуляцией, когда в месте приема оценке подлежит не информационный параметр, а информационный процесс;
марковская теория оптимального приема сигналов.
Сразу после создания теории потенциальной помехоустойчивости были выполнены многочисленные исследования вопросов приема цифровых сигналов в каналах с многолучевым характером распространения радиоволн. Была определена помехоустойчивость приема для всех известных методов передачи сигналов по таким каналам, найдены оптимальные методы разнесенного приема сигналов, открыта возможность создания широкополосных систем связи, в которых замирания сигналов устраняются путем разделения на приеме отдельных лучей. Все упомянутые достижения теории находили практическое применение в разработках многих цифровых систем связи, создаваемых для работы в каналах с многолучевым распространением радиоволн и замираниями сигналов.

Наиболее значительный вклад в эти исследования в 1954-1975 годах внесли советские и американские ученые.

В области приема аналоговых сигналов было развито два направления: гауссовская и марковская теории оптимальной нелинейной фильтрации (демодуляции) сообщений.

В первом из них математической моделью сообщений служили случайные гауссовские процессы с заданным спектром. Первое исследование в данном направлении была выполнено в 1953 году в США Ф. В. Леганом и Р. Дж. Парксом. В СССР несколько позже подобные исследования опубликовали И. А. Большаков и В. Г. Репин. На основе гауссовской теории оптимальной демодуляции были синтезированы оптимальные демодуляторы для разных методов модуляции и определена их потенциальная помехоустойчивость.

Второе важное направление теории оптимальной демодуляции основывалось на описании информационных сообщений с помощью марковских случайных процессов. Это направление было открыто в 1960 году одним из крупнейших советских теоретиков в области статистической радиотехники Р. Л. Стратоновичем, учеными США Р. Е. Калманом и Р. Бьюси, рассмотревшими случай оптимальной линейной фильтрации сообщений, и Г. Дж. Кушнером, исследовавшим проблемы нелинейной фильтрации. В последующие годы оно получило серьезное развитие и применение ко многим практическим проблемам.

Результаты, полученные на основе теории оптимальной демодуляции, в последующие годы использовались для синтеза различных демодуляторов аналоговых сигналов. В конце 60-х годов значительный практический интерес представляло создание оптимальных демодуляторов ЧМ сигналов с низким порогом, обеспечивающих высокое качество приема при предельно низком уровне принимаемого сигнала. Такие демодуляторы применялись в спутниковых и тропосферных системах связи. В этом направлении советскими и американскими учеными было выполнено значительное количество теоретических и экспериментальных работ.

Теория информации
Основоположником теории информации является знаменитый американский ученый Клод Шеннон. Опубликованная им в 1948 году работа "Математическая теория связи" содержала огромное число совершенно неожиданных и плодотворных идей, развитием которых в последующие годы занимались тысячи ученых многих стран. Шеннон ввел понятие информации, содержащейся в подлежащих передаче по каналу связи сообщениях, обобщив идеи Хартли. Этот американский ученый в 1928 году предложил в качестве меры информации I, содержащейся в М сообщениях, использовать логарифмическую функцию I=log(M). Обобщение Шеннона состояло в том, что он впервые стал рассматривать статистическую структуру передаваемых сообщений и действующих в канале шумов и, кроме того, рассматривал не только конечные, но и непрерывные множества сообщений. Созданная им теория информации дает ключ к решению двух основных проблем теории связи: устранение избыточности источника сообщений и кодирование сообщений, передаваемых по каналу связи с шумами.

Решение первой проблемы позволяет устранить избыточность из сообщения, подлежащего передаче, и достичь высокой эффективности использования канала связи. В качестве примера достигаемой эффективности можно отметить, что современные, широко применяемые на практике методы устранения избыточности из сигнала телевизионного вещания (ТВ) позволяют в полосе одного аналогового ТВ канала в наземной сети вещания передавать до шести цифровых ТВ программ с коммерческим качеством.

Решение второй проблемы позволяет при заданном отношении сигнал/шум в месте приема, определяющем пропускную способность канала связи, передать по нему сообщения со сколь угодно высокой достоверностью. Для этого необходимо использовать помехоустойчивые коды, а скорость передачи информации по этому каналу должна быть меньше его пропускной способности.

В оригинальных работах Шеннона была доказана принципиальная возможность решения указанных проблем, что явилось в конце 40-х годов откровением для специалистов. Эта работа, как и работы в области потенциальной помехоустойчивости, породила целую лавину исследований, продолжающихся уже более пятидесяти лет. Советские и американские математики (СССР - А. Н. Колмогоров, А. И. Хинчин, Р. Л. Добрушин, М. С. Пинскер; США - А. Фейнштейн, Р. Галлагер, Дж. Вольфовиц) дали строгую трактовку этой теории.

Современные цифровые системы связи создаются с учетом фундаментальных законов передачи сообщений, установленных Шенноном. В соответствии с положениями теории информации в этих системах из сообщения, до его передачи по каналу связи, устраняется избыточность, а затем оно кодируется с использованием помехоустойчивых кодов. На основе этой теории были разработаны алгоритмы, позволившие значительно сократить избыточность факсимильных, речевых и телевизионных сообщений.

Огромное количество исследований, результаты которых упомянуты в приведенных ниже разделах, было посвящено созданию различных конструкций помехоустойчивых кодов и разработке достаточно простых методов их декодирования. На основании выполненных за последние полвека исследований созданы Рекомендации МСЭ по применению методов кодирования источников и помехоустойчивого кодирования в современных системах цифровой связи.


--------------------------------------------------------------------------------

Хронология
1916 год Исследование спектра сигналов с амплитудной модуляцией, показавшее, что в этом спектре имеется не только центральная, но и боковые частоты (Россия - М. В. Шулейкин).
1922 год Первое исследование спектра сигналов с частотной модуляцией (США - Дж. Р. Карсон).
1928 год Первые работы по теории связи (США - Г. Найквист, Р. Хартли).
1932 год Строгое доказательство теоремы отсчетов (СССР - В. А. Котельников, США - К. Шеннон (1948 г.).
1935 год Создание основ теории линейной селекции сигналов (СССР -Д. В. Агеев).
1935 год Исследования методов передачи дискретных сообщений (СССР -В. И. Сифоров).
1946 год Исследования помехоустойчивости приема импульсных сигналов (СССР - В. И. Сифоров).
1947 год Создание теории потенциальной помехоустойчивости (СССР -В. А. Котельников, США - А. Зигерт, Д. Миддлтон; Великобритания - П. Вудворт и И. Дейвис).
1946-1948 годы Исследования спектров сигналов при импульсных методах модуляции (СССР - Я. Д. Ширман, П. Г. Тагер).
1948 год Создание теории информации (США - К. Шеннон).
1949-1991 годы Создание конструктивных методов построения помехоустойчивых кодов и методов декодирования (США, СССР, Франция).
1951-1983 годы Разработка теории аналитического сигнала (СССР -С. И. Тетельбаум, Л. М. Финк, В. И. Коржик, Д. Е. Вакман; США - Е. Бедросян, Г. Б. Велкер).
1953-1975 годы Развитие теории помехоустойчивого приема дискретных сообщений (СССР - Л. М. Финк, B. C. Мельников, Д. Д. Кловский, Н. П. Хворостенко, И. С. Андронов, М. А. Быховский, Н. Е. Кирилов; США - Г. Л Турин, И. Н. Пирс и С. Штейн, Р. Прайс и П. Е. Грин, В. К. Линдсей, П. А. Белло).
1953-1975 годы Развитие гауссовской теории оптимальной демодуляции аналоговых сообщений (США - Д. С. Йоула, Ф. В. Леган и Р. Дж. Парке, Г. Ван Трис; СССР - И. А. Большаков и В. Г. Репин (1965 г.)).
1949-1975 годы Развитие теории информации (США - А. Фейнштейн, Р. Галлагер, Дж. Вольфовиц; СССР - А. Н. Колмогоров, А. И. Хинчин, Р. Л. Добрушин, М. С. Пинскер, Р. Л. Стратонович).
1960-1975 годы Развитие марковской теории оптимальной демодуляции аналоговых сообщений (СССР - Р. Л. Стратонович, В. И. Тихонов, Н. К. Кульман, М. С. Ярлыков; США - Р. Е. Калман и Р. Бьюси, Г. Дж. Кушнер, Г. Л. Ван Трис, В. Л. Снайдер и др.).

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения автора.
От Офф-Топик
К Офф-Топик (20.06.2002 02:00:10)
Дата 20.06.2002 02:00:41

История модуляций




Развитие методов модуляции и кодирования
Передача сообщений по радиоканалу осуществляется путем изменения параметров несущего колебания под воздействием информационного сообщения. При передаче аналоговых сигналов эти параметры изменяются непрерывно и пропорционально их уровню; при передаче цифровых сигналов в зависимости от значений одного или нескольких информационных символов осуществляется манипуляция параметров несущего колебания, то есть они принимают определенные фиксированные значения.

В первой половине XX века разрабатываются и внедряются аналоговые системы радиосвязи и вещания, по которым передаются сигналы телефонии (в том числе многоканальной) и телевидения. В этих системах применяются аналоговые методы модуляции, основанные на изменении параметров гармонической несущей (амплитуды, частоты и фазы) пропорционально величине модулирующего информационного сигнала. Многоканальные системы создаются с использованием частотного разделения каналов. В середине 30-х годов, в связи с развитием импульсной техники, выдвигаются новые идеи создания аналоговых многоканальных систем с импульсными видами модуляции и временным разделением каналов. Аппаратура выделения отдельных каналов в таких системах оказывается более простой по сравнению с системами, в которых используется частотное разделение каналов.

Создаются также системы связи (в основном в диапазоне ВЧ) для передачи сигналов телеграфии. В таких системах осуществляется манипуляция указанных выше параметров гармонического колебания.

В последние двадцать пять лет XX столетия на смену аналоговым методам передачи сообщений приходят и начинают широко внедряться цифровые методы. Цифровые системы связи в начале XXI века полностью заменят аналоговые. Эта революция в области передачи сигналов была подготовлена в 40-х годах, когда были изобретены два исключительно важных для последующего развития техники связи вида преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму - импульсно-кодовая и дельта-модуляция.

На совершенствование цифровых методов передачи сигналов значительное влияние оказали положения теории информации, на основе которых во второй половине XX века были созданы помехоустойчивые коды и сложные многопозиционные сигналы. Это позволило обеспечить высокую помехоустойчивость приема сигналов, а также весьма эффективно использовать пропускную способность канала связи.

В середине XX века в связи с проблемами военной радиосвязи рождаются идеи использования в качестве несущего колебания широкополосных сигналов, а не гармонических. Широкое использование таких сигналов в системах фиксированной и подвижной связи начинается в последней четверти XX века.

Рассмотрим более подробно развитие методов передачи аналоговых и цифровых сигналов по радиоканалам.

Аналоговые методы модуляции
В XX веке для передачи сигналов амплитудная (AM) и частотная (ЧМ) модуляции получили значительное распространение в системах радиосвязи и вещания. Учеными и инженерами всего мира было сделано огромное число исследований и изобретений, направленных на их совершенствование.

Изобретение ЧМ относится к первым годам XX века. Однако в течение почти тридцати лет, до работ знаменитого американского инженера Э. Х. Армстронга, оно не находило практического применения. Начиная с 40-х годов этот вид модуляции получил широчайшее применение в огромном числе систем связи самого различного назначения: подвижной, радиорелейной, спутниковой связи, в ОВЧ-ЧМ вещании. Сотни научных и экспериментальных работ были направлены на исследование искажений ЧМ сигналов, возникающих в линейных цепях связных устройств, и помехоустойчивости приема таких сигналов.

Передачу речи с помощью AM первым, по-видимому, осуществил один из пионеров радиотехники, американский инженер Фессенден. Модуляция осуществлялась путем включения микрофона, изменяющего затухание в цепи, связывающей передающую антенну и машинный генератор высокой частоты. Этот вид модуляции с 1920 года стал основным в звуковом радиовещании в диапазонах низких, средних и высоких частот (НЧ, СЧ и ВЧ) и сети аналогового AM вещания, которые уже восемьдесят лет развиваются во всех странах мира. До 40-х годов этот вид модуляции использовался не только в вещании, но также и во всех других видах радиосвязи.

Большое значение для электросвязи имело изобретение американским ученым Карсоном амплитудной модуляции с одной боковой полосой (ОБП), сделанное в 1915 году. Этот метод модуляции позволяет весьма эффективно использовать полосу частот канала связи. Системы с ОБП широко применяются до сих пор в системах многоканальной связи и в телевизионном (ТВ) вещании.

В середине XX века из-за чрезвычайно острой проблемы "тесноты в эфире", сохраняющейся и в настоящее время, были предприняты исследования возможности сокращения полосы канала, необходимой для передачи вещательных сигналов. Модернизация сетей AM вещания путем их перевода на ОБП была в середине XX века практически невозможна из-за того, что это требовало замены огромного парка вещательных приемников. Поэтому значительные усилия инженеров были направлены на создание "совместимой ОБП" - нового вида модуляции, с помощью которого можно было бы, с одной стороны, в два раза уменьшить полосу частот, занимаемую каждой станцией, а с другой - сохранить неизменным существующий парк приемников. Такой вид модуляции был предложен в 50-х годах учеными СССР и США. Сокращение занимаемой полосы частот в данном виде модуляции достигалось за счет дополнительной фазовой модуляции AM сигнала. Несмотря на успешные эксперименты, данный вид модуляции практического применения не нашел. В 80-х годах вновь встал вопрос о сокращении в два раза полосы частот вещательных станций в диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ. Этот вопрос исследовался в МСЭ, и его предполагалось решить путем поэтапного внедрения до 2015 года ОБП. Однако к концу XX века стало ясно, что эпоха применения аналоговых методов передачи сигналов по каналам связи завершается, и для этих диапазонов частот были разработаны новые цифровые системы звукового вещания.

В СССР в 1939 году был изобретен еще один метод аналоговой модуляции, названный полярной модуляцией (ПМ). Суть этого метода состоит в том, что положительная полуволна несущей частоты модулируется по амплитуде одним сообщением, а отрицательная - другим. В СССР этот метод был выбран для создания системы стереофонического ОВЧ-ЧМ вещания. Передача стереосигналов осуществлялась путем модуляции методом ПМ поднесущей частоты 31. 25 кГц от двух разнесенных в пространстве микрофонов.

Хронология
1902 год Изобретение системы передачи сигналов методом частотной модуляции (ЧМ) (США - Корнелиус Д. Эрет).
1906 год Первый опыт передачи речи и музыки по радио методом AM с помощью машин высокой частоты (США - Р. Фессенден).
1915 год Изобретение метода амплитудной модуляции с одной боковой полосой (ОБП) (США - Дж. Р. Карсон).
1935 год Начало широкого применения ЧМ в радиовещании (США - Э. Х. Армстронг).
1939 год Изобретение полярной модуляции (СССР - А. И. Косцов).
1939 год Изобретение совместимой ОБП (СССР - С. И. Тетельбаум; США - Л. Кан (1961 г.)).
1964 год Изобретение однополосной частотной модуляции (США - К. А. Вон Урфф и Ф. И. Зонис).

Импульсные методы модуляции
Еще в начале XX века инженеры предпринимали поиски импульсных методов передачи непрерывных сигналов (телефонии, телевидения и т. п.). В 30-50-х годах были изобретены методы передачи сигналов с помощью амплитудно-импульсной (АИМ), широтно-импульсной (ШИМ), фазово-импульсной (ФИМ) и других разновидностей импульсной модуляции. Исследования помехоустойчивости приема сигналов с разными видами импульсной модуляции были выполнены в 40-х и 50-х годах. На базе ФИМ и других видов импульсной модуляции в середине XX века создавались многоканальные радиорелейные линии (РРЛ) связи.

Хронология
1919 год Изобретение метода преобразования непрерывных сообщений в импульсные с помощью катодно-лучевой трубки (СССР - И. Г. Фреймам).
1932 год Изобретение системы радиотелефонной связи с ШИМ (СССР - А. Л. Минц).
1935 год Изобретение многоканальной системы связи с АИМ (СССР - С. Н. Кокурин).
1944 год Создание в диапазоне 5 ГГц восьмиканальной РРЛ с ФИМ (США - фирма "Вестерн-Электрик").
1949 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с помощью ФИМ (СССР - С. В. Бородич).
1952 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с ФИМ (СССР - Г. В. Длугач).
1954 год Разработка многоканальной системы с ФИМ-ЧМ (США - С. Метзгер).
1958 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с ФИМ-ЧМ (СССР - Г. А. Малолепший).

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые
Необходимо отметить два основных метода преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму - импульсно-кодовую (ИКМ) и дельта-модуляцию (ДМ), которые традиционно относят к видам модуляции, хотя таковыми они, по сути, не являются, поскольку не связаны, как это характерно для всех остальных видов модуляции, с изменениями параметров несущей частоты. Оба вида модуляции были изобретены в 40-х годах и приобрели исключительно большое значение в конце XX века, когда началась глобальная цифровизация систем связи и вещания.

Изобретателем ИКМ является французский инженер Ривс. При ИКМ преобразования аналогового сигнала в цифровую форму осуществляют в два этапа. На первом этапе этот сигнал модулирует по амплитуде последовательность импульсов, следующих с частотой, определяемой теоремой Котельникова и равной 2FB, где FB - верхняя частота спектра сигнала. На втором этапе диапазон возможных уровней сигнала разбивается на 2n интервалов и определяется, в каком из интервалов находится уровень каждого из модулированных импульсов. В результате каждый импульс преобразуется в n-значную бинарную кодовую комбинацию, соответствующую данному интервалу. Для увеличения динамического диапазона сигналов, преобразуемых в цифровую форму, применяются компандеры, а при обратном преобразовании - экспандеры. Метод ИКМ нашел широкое применение в современных системах связи при передаче звуковых сигналов и сигналов телевидения.

Дельта-модуляция (ДМ) была изобретена независимо несколькими учеными в конце 40-х - начале 50-х годов во Франции (Е. Делорейн, С. ван Миеро и Б. Дерьявич), СССР (Л. А. Коробков) и США (К. К. Катлер, Ф. де Яджер). При ДМ формируется разность между текущим значением аналогового сигнала и его предсказанным значением на основе предшествующих отсчетов. Эта разность преобразуется в цифровую форму. В изобретениях, сделанных во Франции и СССР, для квантования разностного сигнала использовался бинарный код, символы которого принимают значения (1 или 0) или (±1). Для получения высокой точности преобразования аналогового сигнала в цифровую форму методом ДМ требуется более высокая (в 10-15 раз), чем в ИКМ, частота дискретизации. В 1952 году был предложен метод дельта-ИКМ (ДИКМ), в котором указанная выше разность преобразуется в k-значную кодовую комбинацию с помощью ИКМ. Применение ДИКМ позволяет при заданной точности преобразования аналогового сигнала в цифровую форму уменьшить частоту дискретизации и общую скорость полученного в результате преобразования цифрового потока. В 60-е годы были предложены многочисленные разновидности ДМ, в том числе ДМ с двойным интегрированием, ДМ с компандированием сигналов (адаптивная ДМ) и др.

Начало исследований искажений, которыми сопровождается преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму с помощью ИКМ и ДМ, было положено работами американских ученых Беннетта и Ван де Вега. В этих исследованиях устанавливались зависимости мощности и спектра продукта искажений от параметров метода преобразования (частоты дискретизации, динамического диапазона аналогового сигнала, числа уровней квантования и т. д.). Особенно интенсивные исследования точности преобразования сигналов с помощью ИКМ, ДМ и ДИКМ были выполнены в США и СССР в 60-70-х годах. Были исследованы точность разных алгоритмов преобразования, осуществлен синтез оптимальных алгоритмов преобразования с учетом статистических свойств аналогового сигнала.

Важные результаты, относящиеся к помехоустойчивости приема сообщений при использовании ИКМ, были получены в конце 40-х годов в США и СССР К. Шенноном и профессором С. В. Бородичем.

Хронология
1938 год Изобретение ИКМ (США - А. Ривс).
1944 год Первое исследование точности преобразования аналоговых сигналов методом ИКМ (США - В. Р. Беннетт).
1946 год Изобретение ДМ (Франция - Е. Делорейн, С. ван Миеро и Б. Дерьявич (1946 г.); СССР - Л. А. Коробков (1948 г.); США. - Ф. де Яджер).
1948 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с помощью ИКМ (США - Б. Оливер, Дж. Пирс, К. Шеннон; СССР - С. В. Бородич (1949 г.).
1952 год Изобретение ДИКМ (США - К. К. Катлер).
1952 год Первое исследование точности преобразования аналоговых сигналов методом ДИКМ (США - Г. Ван де Вег).
1960-1975 годы Теоретические и экспериментальные исследования и оптимизация различных алгоритмов ИКМ, ДМ и ДИКМ (СССР - А. И. Величкин, М. Д. Венедиктов; США - Дж. Макс, Дж. Е. Эбейт, Дж. Б. О'Нейл).

Цифровые методы модуляции
На первом этапе развития радиосвязи долгое время использовались искровые передатчики и применялись, по существу, импульсные методы передачи сигналов с амплитудной манипуляцией (АМн). С созданием генераторов непрерывных электрических колебаний (вначале дуговых, затем машинных и позднее ламповых) начали изобретаться новые методы модуляции, основанные либо на непрерывном изменении амплитуды (AM), частоты (ЧМ) и фазы (ФМ) излучаемых колебаний при передаче непрерывных сообщений, либо дискретной манипуляцией этими параметрами (соответственно АМн, ЧМн и ФМн) при передаче дискретных (телеграфных) сигналов. Фазовая манипуляция, изобретенная знаменитым американским ученым Г. Найквистом в 1928 году, долгое время не находила применения из-за явления "обратной работы", возникающего вследствие невозможности восстановления на приеме опорного колебания, строго синфазного с несущей частотой принимаемого сигнала. С 30-х годов в течение почти сорока лет велись интенсивные научные исследования по разработке методов синхронного приема сигналов с ФМн, в которых принимали активное участие ученые и инженеры Франции, СССР, США и других стран.

В 1954 году советским ученым Н. Т. Петровичем было сделано важное изобретение относительно-фазовой манипуляции (ОФМ) - метода передачи, когда фаза последующей посылки изменяется при изменении полярности передаваемого знака относительно предыдущего. Этот метод устранил проблему "обратной работы" при приеме сигналов с фазовой манипуляцией и в течение многих десятилетий широко применялся в системах цифровой связи.

Важные изобретения, которые в последующем нашли широкое применение в системах связи, были сделаны советскими академиками А. Н. Щукиным и А. А. Пистоль-корсом. Они впервые предложили для передачи телеграфии применять многопозиционные сигналы. Первый из названных ученых изобрел систему двойного частотного телеграфирования (ДЧТ), а второй - многократную ФМн.

Проблемы повышения эффективности использования спектра привели к разработке в конце XX века манипуляции минимального частотного сдвига (ММС), в которой за время передачи одного знака фаза сигнала линейно изменяется в зависимости от его полярности на ±я/2. Сигналы ММС обладают весьма компактным спектром с весьма низким уровнем внеполосного излучения. В 1960 году были изобретены N=2n-позиционные сигналы с квадратурной амплитудной манипуляцией (KAM-N), в которой амплитуда квадратурных составляющих излучаемого колебания могла принимать от 8 до 128 значений (КАМ-16 и КАМ-256). Новые методы манипуляции сегодня широко применяются в радиорелейных, спутниковых и подвижных системах связи.

В середине века была изобретена синхронная система "Кинеплекс", называемая иногда иначе - OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). В этой системе для передачи многоканальной телеграфии каждое из М колебаний, частотный разнос между которыми был обратно пропорционален длительности передаваемого знака, модулировалось с помощью ОФМ. В системе "Кинеплекс" полоса частот канала связи используется весьма эффективно.

В конце XX века эта система, названная COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing), была существенно усовершенствована специалистами ряда стран: для манипуляции отдельных колебаний применялась КАМ, использовались помехоустойчивые коды. На базе COFDM создавались системы ВЧ связи, подвижной связи и т. п. Этот вид модуляции будет весьма широко использоваться в XXI веке в цифровых системах звукового (DAB) и телевизионного (DVB) вещания.

Хронология
1915 год Первое применение ЧМн (США - В. Паульсен), Э. Х. Армстронг в 1927 году предложил применять ЧМн.
1928 год Изобретение фазовой манипуляции (ФМн) (США - Г. Найквист).
1932-1942 годы Разработка методов приема сигналов с ФМн (Франция - Г. Бельсиз; СССР - А. А. Пистолькорс, В. И. Сифоров, Е. Г. Момот).
1933 год Изобретение системы двойного частотного телеграфирования (ДЧТ) (СССР - А. Н. Щукин).
1935 год Изобретение многократной ФМн (СССР - А. А. Пистолькорс).
1954 год Изобретение относительно-фазовой манипуляции - ОФМ (СССР - Н. Т. Петрович).
1956 год Изобретение метода синхронного приема сигналов с ФМн (США - Д. Костас).
1957 год Изобретение системы передачи "Кинеплекс" (США - М. Л. Доелс, Е. Т. Хелад, Д. Л. Мартин).
1960 год Изобретение квадратурно-амплитудной модуляции - КАМ (США - К. Кан).
1979 год Изобретение манипуляции с минимальным частотным сдвигом (ММС) (США - С. Пасьюпаси).
1981-1991 годы Создание различных систем, использующих COFDM: для ВЧ связи, подвижной связи, цифрового звукового и телевизионного вещания (Франция, Германия, Япония).

Методы кодирования
Начало истории кодирования можно отнести к 1948 году, когда была опубликована знаменитая статья Клода Шеннона, доказавшего принципиальную возможность безошибочной передачи сигналов, если скорость передачи меньше пропускной способности канала связи, которая тем больше, чем выше отношение сигнал/шум на входе приемного устройства. Это указывало на то, что энергетика линий связи определяет только их пропускную способность, а сколь угодно высокой помехоустойчивости приема сообщений можно достигнуть путем применения специальным образом построенных кодов. Революционные идеи Шеннона осуществили переворот в сознании инженеров-связистов, ведь до создания этой теории считалось само собой разумеющимся, что единственные возможности повышения помехоустойчивости приема сигналов состоят в увеличении мощности передатчика или в многократной передаче по каналу связи одного и того же сообщения. Оба эти способа приводят к весьма низкой эффективности использования пропускной способности канала связи.

Многочисленные исследования 50-х годов XX века были направлены на решение следующих проблем теории кодирования:

построение кодов с хорошими корректирующими свойствами;
выбор алгоритма декодирования, имеющего малую сложность;
согласование кодов, корректирующих ошибки, видов модуляции, алгоритмов декодирования и характеристик канала связи.
Первые блочные коды, позволявшие корректировать одиночные ошибки, были построены в 1949 и 1950 годах известными американскими учеными М. Дж. Голеем и Р. Хэммингом. При блочном кодировании последовательность информационных символов разбивается на отдельные блоки определенной длины. Для каждого такого блока формируются дополнительные проверочные символы, которые образуются путем сложения по модулю 2 определенных информационных символов. Блоки информационных и проверочных символов передаются в канал связи. Коды Хэмминга имели простой алгоритм декодирования и позволяли корректировать одну ошибку в кодовой комбинации. Эти коды были разочаровывающе слабы по сравнению с тем, на что указывала теория Шеннона, однако их значение весьма велико, так как их создание дало толчок для огромного числа последующих работ в области алгебраической теории кодирования.

Работа Хэмминга явилась катализатором цепной реакции выдвижения новых идей в данной области, которая началась с 1954 года. Американский ученый И. С. Рид был первым, кто использовал мажоритарное декодирование кодов Рида-Маллера. При мажоритарном декодировании для каждого информационного символа формируется нечетное число оценок путем сложения по модулю 2 определенных комбинаций символов принятого кода. Решение об истинном значении принятого символа принимается по мажоритарному принципу - если большее количество оценок равно 1, то принимается именно такое решение. В 1963 году Дж. Л. Месси установил общие принципы построения и декодирования подобных кодов. Достоинством мажоритарно декодируемых кодов является чрезвычайная простота и быстродействие алгоритмов декодирования. Однако класс таких кодов весьма мал, и эти коды слабее других. Значительный вклад в создание теории построения мажоритарно декодируемых кодов внесли в 1965 году советские ученые В. Д. Колесников и Е. Т. Мирончиков.

Весьма интересный класс блочных кодов был предложен в 1954 году американским ученым Г. Форни. Каскадные коды формируются следующим образом: последовательность информационных символов длиной n = n1 * n2 записывается в буферную память в виде таблицы, имеющей n1 столбцов и n2 строк. Символы отдельных строк и столбцов кодируются с помощью корректирующих кодов (соответственно внутреннего и внешнего), и дополнительные проверочные символы вместе с информационными передаются по каналу связи. Весьма значимые результаты по исследованию каскадных кодов были получены Г. Форни и советскими учеными Э. Л. Блохом и В. В. Зябловым. Исследования последних (1976 и 1982 гг.) показали, что при соответствующем выборе внутреннего и внешнего кодов каскадные коды позволяют разрешить указанные выше проблемы помехоустойчивого кодирования.

В 1955 году в США и СССР был предложен весьма важный класс сверточных или рекуррентных кодов, нашедший широкое применение в современной технике связи. Исследования, связанные с построением таких кодов и разработкой эффективных с вычислительной точки зрения алгоритмов их декодирования, заняли почти двадцать лет.

В этом классе кодов информационная последовательность символов разбивается на блоки, содержащие по m символов, которые поступают на линейный преобразователь, имеющий память на K-подобных блоков. В этом преобразователе каждый блок из m поступивших символов с учетом содержащихся в памяти K-блоков (K - длина кодового ограничения), преобразуются в n (n > m) символов, передаваемых по каналу связи. При этом относительная скорость передачи информации составляет R = m/п. Сверточные коды являются частным случаем блочных линейных кодов. Однако введение сверточной структуры наделяет эти коды рядом дополнительных свойств, которые существенно облегчают его декодирование. Эти коды имеют древовидную или решетчатую структуру. Каждому ребру древовидной структуры соответствует определенная последовательность m информационных символов. По принятой последовательности символов для каждого ребра может быть найден его вес - число, характеризующее его расстояние от принятой последовательности. Для измерения этого расстояния может быть использована метрика Хэмминга, если в демодуляторе принимается жесткое решение, или евклидова метрика, если декодирование осуществляется по методу максимума правдоподобия. Декодирование сверточных кодов состоит в прослеживании по кодовой решетке того пути, для которого расстояние от принятой последовательности символов имеет минимальное значение. Сверточная структура кода позволяет использовать рекуррентные алгоритмы, существенно упрощающие вычисления этого расстояния.

Для декодирования этих кодов американским ученым Дж. Возенкрафтом в 1957 году был предложен изящный алгоритм последовательного декодирования, в соответствии с которым в декодере просматриваются не все возможные пути по ребрам кодовой решетки сверточного кода, а наиболее вероятные. Если декодер выбрал на каком-то шаге неверный путь, то он вскоре обнаруживает, что при последующих выборах ребер происходит быстрое увеличение расстояния между выбранным путем и принимаемой последовательностью. Это является сигналом к тому, чтобы декодер сделал несколько шагов назад и начал исследовать альтернативные, более правдоподобные пути. При последовательном декодировании число вычислений на одно ребро является случайной

величиной, и в памяти декодера должны храниться вычисленные расстояния для всех исследованных ветвей. Первые исследования алгоритма последовательного декодирования выполнили Дж. Возенкрафт и Б. Рейффен. В 1963 году его усовершенствовал P. M. Фано, в 1966 году эффективную модификацию этого алгоритма предложил советский ученый К. Ш. Зигангиров, а несколько позднее (1969 г.) аналогичное предложение сделал американский ученый Ф. Джелинек.

Значительным достижением в области теории кодирования явилась разработка в 1967 году одним из крупнейших американских ученых А. Витерби весьма эффективного с вычислительной точки зрения алгоритма декодирования сверточных кодов по максимуму правдоподобия. Этот алгоритм, в отличие от алгоритма последовательного декодирования, исследует все возможные пути по кодовой решетке на длине кодового ограничения k, поэтому он применим для декодирования сверточных кодов при сравнительно небольших значениях K = 1-10.

Сверточные коды и алгоритмы Витерби и последовательного декодирования получили в настоящее время весьма широкое распространение в магистральных радиорелейных и спутниковых системах связи.

Американский ученый Д. Слепян, получивший значительные результаты в разных областях теории связи, был первым, кто в 1956 году заложил строгий фундамент теории линейных блочных кодов с проверкой на четность - математическую теорию групп.

В 1957 году другой американец, Е. Прейндж, первый ввел понятие циклического кода и указал на его связь с идеалами алгебр. Циклические коды являются важным подклассом линейных кодов, которые имеют эффективные алгоритмы кодирования и декодирования, основанные на применении идей алгебраической теории полей Галуа. Значительный вклад в разработку теории этих кодов внесли американские ученые Пи-терсон, Берлекамп и Касами.

Весьма важный и обширный класс линейных циклических кодов Боуза, Рой-Чоудхури (США, 1960 г.) и Хоквингема (Франция, 1959 г.), названный кодами БЧХ по первым буквам имени открывших их независимо ученых, позволял корректировать многократные ошибки в принятой кодовой комбинации. Эти коды имели следующие параметры: n = 2m - 1, k > 2m - 1 - mt, d > 2t + 1 (здесь n - длина кода, k - число информационных символов в кодовой комбинации, t - количество корректируемых ошибок, d - минимальное хэммингово расстояние между кодовыми комбинациями). Декодирование кодов БЧХ производят на основе решения определенных алгебраических уравнений.

Были построены специальные коды для работы в каналах связи, в которых возникают пакеты ошибок. Однако задача коррекции пакетов ошибок может быть сведена к задаче коррекции независимых ошибок путем применения метода перемежения символов, который состоит в перестановке передаваемых символов таким образом, чтобы соседние символы передаваемой кодовой комбинации оказывались разнесенными в достаточной степени во времени так, чтобы их искажения в канале связи были независимыми. На приеме производится восстановление исходного порядка символов. Эта простая идея, выдвинутая в 1960 году советскими учеными академиком А. А. Харкевичем и профессором Э. Л. Блохом и позднее (1970 г.) американским ученым Дж. Л. Рамсеем, сегодня применяется во многих системах радиорелейной и подвижной связи, в которых при приеме цифровых сигналов имеет место группирование ошибок.

Сердцем любой цифровой системы связи является аналоговый канал. Цифровая система связи для такого канала включает модулятор/демодулятор (модем), преобразующий аналоговый канал в дискретный так, чтобы можно было использовать кодер/декодер (кодек).

Наименьшую вероятность ошибки можно получить, вычисляя в демодуляторе расстояния между принятым сигналом и всеми возможными кодовыми комбинациями. Решение принимается в пользу той кодовой комбинации, которая находится на минимальном расстоянии от принятого сигнала. Однако при этом для кодов большой длины, имеющих огромное количество кодовых комбинаций, сложность демодулятора столь сильно возрастает, что его практическая реализация становится невозможной. Поэтому использование кодов дает наилучшие результаты при разумном согласовании модема и кодека. Это возможно, если в демодуляторе принимается мягкое решение о принимаемом символе и если декодер получает дополнительную информацию, характеризующую надежность решения, принятого в демодуляторе. В простейшем случае при передаче бинарных сигналов в демодуляторе те принимаемые символы, для которых надежные решения не могут быть приняты, стираются, и декодер извещается о тех позициях кода, на которых находятся стертые символы.

Идеи применения мягкого решения в демодуляторе для декодирования кодовых комбинаций зародились почти с самого начала возникновения теории кодирования. Первой работой в этом направлении можно считать выполненное в 1954 году американскими учеными Сильверманом и Болсером исследование помехоустойчивости приема с мягким решением кода Вагнера, содержащего всего один избыточный двоичный символ для проверки информационных символов на четность. На приеме принимается жесткое решение о значениях всех принятых символов и, кроме того, дополнительно определяется наименее надежный из них. При декодировании этот символ изменяется на противоположный в том случае, если проверка принятой кодовой комбинации на четность не выполняется. При наличии всего одного проверочного символа в кодовой комбинации такой алгоритм декодирования позволял корректировать в ней одиночные ошибки. Эта идея была позже в обобщенном виде применена к декодированию кодов БЧХ в канале со стираниями ненадежно принятых символов.

С конца 60-х - начала 70-х годов были выполнены многочисленные исследования, направленные на разработку методов приема сигналов в целом. При этом в приемном устройстве решение о приеме той или иной кодовой комбинации принимается по методу максимального правдоподобия, то есть при декодировании ищется такая кодовая комбинация, которая находится на наименьшем евклидовом расстоянии от принятого сигнала. Учет структуры кода позволял существенно упростить вычисления этого расстояния.

Для сверточных кодов их декодирование при мягком решении в демодуляторе можно осуществить, используя алгоритмы Витерби и последовательного декодирования.

Для кодов с пороговым декодированием применение мягкого решения исследовалось в США Дж. Л. Месси и несколько позже в СССР Л. М. Финком и Б. Д. Каганом.

Для блочных кодов в начале 70-х годов американскими учеными Е. Велдоном и Д. Чейзом были предложены алгоритмы декодирования, использующие мягкое решение демодулятора и позволяющие приблизиться к решению по максимуму правдоподобия.

С 80-х годов появилось новое научное направление - разработка и анализ помехоустойчивости приема специально построенных сигналов, названных сигнально-кодовыми конструкциями. Это направление представляет собой синтез методов модуляции, кодирования и их оптимального приема и позволяет создавать системы связи, в которых по каналу связи, имеющему ограниченную полосу частот, возможно передавать информацию с качеством, приближающимся к потенциальному пределу, определяемому положениями теорий Котельникова и Шеннона.

В 1982 году в результате теоретических исследований американского ученого Г. Унгербоека была создана решетчатая кодовая модуляция (РКМ). Этот вид модуляции основывается на сочетании многопозиционных сигналов и помехоустойчивых кодов. При этом ансамбль многопозиционных сигналов, содержащий М=2n сигналов, разбивается на K = 2k+1 вложенных подансамблей с монотонно возрастающими расстояниями. В качестве сигналов используются многопозиционная ФМ и КАМ. Информационная последовательность символов преобразуется в кодовую с помощью сверточного кода, который применяется к кодированию k из п информационных символов, причем сверточный код имеет скорость k/k+1 и вводит 1-битовую избыточность. Кодированные биты определяют выбор подансамбля, а некодированные - конкретную сигнальную точку в этом выбранном подансамбле. Для оптимального приема сигналов РКМ используется метод максимального правдоподобия, реализуемый в виде алгоритма Витерби. Применение РКМ позволяет (при заданных скорости передачи сигналов и вероятности ошибочного приема) уменьшить необходимые энергетику линии и полосу частот. Этот вид модуляции находит применение на магистральных высокоскоростных линиях радиорелейной и спутниковой связи.

Весьма обширные исследования помехоустойчивости различных методов приема сигнально-кодовых конструкций в гауссовском канале связи были выполнены советскими учеными С. Л. Портным, В. В. Зябловым, В. В. Гинзбургом и В. Л. Банкетом.

Хронология
1949 год Создание линейного кода М. Дж. Голея (США).
1950 год Создание кодов Р. Хэмминга, корректирующих одиночные ошибки (США).
1954 год Создание и исследования каскадных кодов (США - Г. Форни. СССР - Э. Л. Блох и В. В. Зяблов).
1954 год Создание кодов с мажоритарным декодированием (США - И. С. Рид и Д. Е. Маллер).
1954 год Исследование помехоустойчивости приема с мягким решением для кода Р. А. Вагнера (США - Сильверман и М. Болсер).
1955 год Создание сверточных кодов (США - П. Элайес; СССР - Л. М. Финк и В. И. Шляпоберский).
1956 год Применение математического аппарата теории групп к построению линейных кодов, корректирующих ошибки (США - Д. Слепян).
1956 год Исследование линейных переключающих схем с точки зрения теории линейных фильтров и применение генераторов с регистром сдвига для получения кодов, исправляющих ошибки (США - Д. А. Хаффмен).
1957 год Первые исследования циклических кодов (США - Е. Прейндж).
1957 год Открытие метода последовательного декодирования (США - Дж. Возенкрафт).
1959 год Создание кодов БЧХ (США - Р. К. Боуз и Д. К. Рой-Чоудхури (1960 г.), Франция - А. Хоквингем (1959 г.)).
1960 год Исследование помехоустойчивости приема сигналов в канале с группированием ошибок при использовании метода перемежения информационных символов (СССР - А. А. Харкевич и Э. Л. Блох (1960 г.), США - Дж. Л. Рамсей (1970 г.)).
1960 год Создание эффективных линейных блоковых кодов (США - И. С. Рид и Г. Соломон).
1961 год Исследование эффективности метода последовательного декодирования (США - Дж. Возенкрафт и Б. Рейффен).
1963 год Исследования методов мажоритарного декодирования блоковых кодов как при жестком, так и при мягком решении демодулятора (США - Дж Л. Месси).
1963 год Создание модификации алгоритма последовательного декодирования (США - P. M. Фано).
1965 год Исследования циклических кодов с мажоритарным декодированием (СССР - В. Д. Колесников и Е. Т. Мирончиков).
1966 год Создание стэк-алгоритма последовательного декодирования (СССР - К. Ш. Зигангиров, США - Ф. Джелинек (1969 г.)).
1967 год Алгоритм декодирования сверточных кодов по максимуму правдоподобия (США - А. Дж. Витерби).
1971-1972 годы Алгоритмы мягкого декодирования блочных кодов (США - Е. Велдон и Д. Чейз).
1982 год Исследования решетчатой кодовой модуляции (США - Г. Ундербоек).
1982-1991 годы Исследования помехоустойчивости различных методов приема сигнально-кодовых конструкций в гауссовском канале связи (СССР - С. Л. Портной, В. В. Зяблов, В. В. Гинзбург, В. Л. Банкет).

Широкополосные методы модуляции
Весьма важными достижениями инженеров XX столетия явились изобретение широкополосных сигналов (ШПС) и создание на их основе новых систем радиосвязи и радиолокации. Широкое использование этих сигналов для создания радиосистем массового применения началось в последние 10-15 лет. Однако к разработке идей их использования для повышения помехоустойчивости приема приступили еще в 40-х годах. В обычных видах модуляции информационный поток изменяет амплитуду, фазу или частоту гармонического колебания - несущей частоты. При этом ширина спектра излучаемого в эфир сигнала соизмерима с шириной спектра модулирующего сигнала. Однако переносчиком информации может быть не только гармонический, но и сложный широкополосный сигнал. Такой сигнал может быть сформирован разным образом: несущая может быть модулирована вспомогательной кодовой последовательностью или вспомогательным аналоговым сигналом по фазе, частоте или амплитуде.

Первые работы, связанные с ШПС, были направлены на разработку методов борьбы с мощными радиопомехами, мешающими приему радиолокационных сигналов. В последующие годы были разработаны и нашли применение в системах радиосвязи три основных способа формирования ШПС.

Первые идеи построения ШПС были связаны с ЧМ несущей частоты вспомогательным сигналом, структура которого должна была быть известна на приеме. Одно из первых изобретений, позволяющих выделить ШПС на фоне шума и мощной помехи, представляющее, по сути, полосовой коррелятор, было сделано еще в 1942 году. В этом же году было сделано еще одно пионерское изобретение - способ формирования ШПС методом скачкообразного изменения частоты несущего колебания за время передачи одного информационного символа (FH-SS - Frequency Hopping Spread Spectrum). Честь этого изобретения, долгое время остававшегося секретным, принадлежит известной американской актрисе Хэди Ламар, признанной в 1940 году на конкурсе красоты самой красивой женщиной мира, и ее мужу - композитору Георгу Атсейлу. Изобретенный ими принцип формирования широкополосных сигналов сегодня находит применение в ряде систем связи. В отечественной литературе такие сигналы называют сигналами с частотно-временной матрицей (ЧВМ).

Другим методом формирования ШПС, дуальным к методу ЧВМ и разработанным в 1946 году, является метод скачкообразного изменения относительного временного положения коротких кодовых импульсов за время передачи одного информационного символа (TH-SS - Time Hopping Spread Spectrum).

Один из наиболее широко применяемых сегодня на практике способов формирования ШПС, который называется методом прямого расширения спектра путем непосредственной фазовой модуляции несущей определенной кодовой последовательностью (DS-SS - Direct Sequence Spread Spectrum), был изобретен американскими специалистами Дж. Г. Грином и М. Г. Никольсоном в 1957 году. Ими был предложен метод построения бинарной кодовой последовательности с хорошими корреляционными свойствами. Позже было выполнено значительное число работ, посвященных синтезу подобных псевдослучайных последовательностей с помощью регистров сдвига. К пионерским теоретическим работам в этом направлении относятся исследования С. Голомба (1955 г.) и Н. Цирлера (1959 г.).

Во всех указанных случаях возможно создание в общей полосе частот больших ансамблей сигналов, которые отличаются либо законом чередования фазы несущей частоты для сигналов DS-SS, либо законом изменения значения несущей частоты для сигналов FH-SS, либо определенной временной расстановкой коротких импульсов для сигналов TH-SS. Аналогично тому, как в системах с ЧУ и ВУ сигналы разных каналов могут быть разделены по частоте либо по временному положению, которое они занимают в общей временной последовательности, возможно разделение и разных сигналов ансамбля ШПС по индивидуальной кодовой структуре каждого из этих сигналов. Таким образом, ШПС могут использоваться в качестве переносчиков информации подобно тому, как используются гармонические колебания в обычных системах связи. При этом аналогом AM является передача одного из ШПС, принадлежащего к определенному ансамблю сигналов, с определенной амплитудой, аналогом ФМн является манипуляция фазы ШПС, а аналогом обычной ЧМн является передача одного из двух возможных сигналов ШПС по линии связи.

Сигналы, не перекрывающиеся по спектру или времени, являются полностью ортогональными. Их применение в качестве переносчиков информации в многоканальных системах позволяет полностью разделить соответствующие каналы связи. В отличие от таких сигналов разные ШПС, принадлежащие к одному ансамблю, не являются полностью ортогональными, и поэтому при их разделении возникают дополнительные шумы. Однако их замечательное свойство состоит в том, что в системах связи, использующих ШПС, которые называются системами с кодовым разделением каналов (CDMA - Code Division Multiple Access) или асинхронно-адресными системами, поступающие на вход помехи подавляются в В = WIF раз, где В - база ШПС, W - полоса частот, занимаемая ШПС в канале связи, F - полоса частот информационного сигнала. В широкополосных системах связи В= 100 - 10 000, и в них обеспечивается весьма значительное подавление помех, действующих в той же самой полосе частот, в которой работает данная система. Данное свойство ШПС является уникальным и позволяет многократно использовать один и тот же частотный канал для связи разных абонентов на ограниченной территории. В традиционных системах связи для исключения возможности возникновения помех между зонами, в которых используется один и тот же частотный канал, должен быть обеспечен весьма значительный территориальный разнос. Таким образом, в системах CDMA достигается весьма высокая эффективность использования радиочастотного спектра. Кроме того, ШПС позволяют путем специальной обработки принимаемых сигналов эффективно бороться с замираниями сигналов в многолучевых каналах связи, разделяя отдельные лучи и осуществляя их когерентное сложение.

Первой системой, в которой начали применяться ШПС, явилась созданная в 1946 году система гиперболической навигации "Лоран", в которой около десятка пар станций работали в общем частотном канале независимо друг от друга, используя сигналы TH-SS. В 1952 году на этом же принципе было создано связное оборудование для передачи сигналов телефонии.

В 1958 году была создана первая система коротковолновой связи "Рейк" для работы в многолучевом канале, в которой ШПС применялись для разделения отдельных лучей и устранения замираний, вызванных их интерференцией.

Первые системы, использующие сигналы с FH-SS, появились в начале 60-х годов. В 1963 году была создана наземная система связи RACEP (Random Access and Correlation for Extended Perfomance), в которой для передачи полезных сообщений применялась ФИМ. Система занимала полосу частот 4 МГц и работала в диапазоне 140 МГц. Она позволяла осуществлять передачу сигналов телефонии и цифровой информации и давала возможность организации на одной территории сети связи с емкостью 700 абонентов. Наибольшее число одновременно работающих абонентов составляло 35. Несколько позже была создана аналогичная система RADAS - Random Access Adress System, в которой для передачи информации применялась ДМ.

С 1963 году на основе ШПС начинают создаваться спутниковые системы связи со свободным доступом к общему каналу связи, тропосферные радиорелейные системы связи с разделением отдельных лучей. Исследования эффективности применения ШПС в сравнении с другими методами модуляции в системах связи различных назначений начались с 1965 года.

В 90-х годах системы с ШПС начинают внедряться в системы сотовой подвижной связи. Подобные системы будут применяться в сотовых системах подвижной связи, широкое внедрение которых начнется в XXI веке. Исследования вопросов эффективности использования РЧС в таких системах и разработка методов их частотного планирования были начаты российским ученым Л. Е. Варакиным.

Хронология
1942 год Изобретение метода FH-SS для формирования ШПС (США - X. Ламар и Г. Атсейл).
1946 год Создание системы гиперболической навигации "Лоран", в которой используются сигналы TH-SS (США - Дж. А. Пирс).
1950 год Теоретические исследования возможностей создания ШПС методом TH-SS (США - В. Д. Уайт).
1952 год Создание системы СОМА для передачи сигналов телефонии с применением сигналов TH-SS (США).
1953 год Изобретение метода DS-SS для построения ШПС (США -Дж. Г. Грин, М. Г. Никольсон).
1955 год Применение генераторов с регистром сдвига для получения псевдослучайных последовательностей (США - Н. Цирлер, С. В. Голомб (1965 г.).
1960 год Создание наземной система связи RASEP с использованием сигналов с ЧВМ и ФИМ (США).
1963 год Создание системы RADAS, в которой для передачи информации применялись ЧВМ и ДМ (США).
1963 год Создание спутниковых систем с СОМА (США).
1963 год Создание тропосферных радиорелейных систем связи с использованием ШПС (США).
1965 год Первая теоретическая работа, в которой дано сравнение псевдошумовых и обычных методов модуляции в спутниковых системах с многократным доступом (США - Г. А. Блэзбалг).
1982 год Исследования возможностей использования широкополосных сигналов в сетях сотовой подвижной связи и разработка методов частотного планирования таких сетей (СССР - Л. Е. Варакин, М. А. Быховский (1995 г.); США - В. К. Ли, К. С. Гилхоусен и И. М. Джекобс (1991 г.) и др.).

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения автора.
От Офф-Топик
К Офф-Топик (20.06.2002 02:00:41)
Дата 20.06.2002 02:01:13

История кодирования




Развитие методов модуляции и кодирования
Передача сообщений по радиоканалу осуществляется путем изменения параметров несущего колебания под воздействием информационного сообщения. При передаче аналоговых сигналов эти параметры изменяются непрерывно и пропорционально их уровню; при передаче цифровых сигналов в зависимости от значений одного или нескольких информационных символов осуществляется манипуляция параметров несущего колебания, то есть они принимают определенные фиксированные значения.

В первой половине XX века разрабатываются и внедряются аналоговые системы радиосвязи и вещания, по которым передаются сигналы телефонии (в том числе многоканальной) и телевидения. В этих системах применяются аналоговые методы модуляции, основанные на изменении параметров гармонической несущей (амплитуды, частоты и фазы) пропорционально величине модулирующего информационного сигнала. Многоканальные системы создаются с использованием частотного разделения каналов. В середине 30-х годов, в связи с развитием импульсной техники, выдвигаются новые идеи создания аналоговых многоканальных систем с импульсными видами модуляции и временным разделением каналов. Аппаратура выделения отдельных каналов в таких системах оказывается более простой по сравнению с системами, в которых используется частотное разделение каналов.

Создаются также системы связи (в основном в диапазоне ВЧ) для передачи сигналов телеграфии. В таких системах осуществляется манипуляция указанных выше параметров гармонического колебания.

В последние двадцать пять лет XX столетия на смену аналоговым методам передачи сообщений приходят и начинают широко внедряться цифровые методы. Цифровые системы связи в начале XXI века полностью заменят аналоговые. Эта революция в области передачи сигналов была подготовлена в 40-х годах, когда были изобретены два исключительно важных для последующего развития техники связи вида преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму - импульсно-кодовая и дельта-модуляция.

На совершенствование цифровых методов передачи сигналов значительное влияние оказали положения теории информации, на основе которых во второй половине XX века были созданы помехоустойчивые коды и сложные многопозиционные сигналы. Это позволило обеспечить высокую помехоустойчивость приема сигналов, а также весьма эффективно использовать пропускную способность канала связи.

В середине XX века в связи с проблемами военной радиосвязи рождаются идеи использования в качестве несущего колебания широкополосных сигналов, а не гармонических. Широкое использование таких сигналов в системах фиксированной и подвижной связи начинается в последней четверти XX века.

Рассмотрим более подробно развитие методов передачи аналоговых и цифровых сигналов по радиоканалам.

Аналоговые методы модуляции
В XX веке для передачи сигналов амплитудная (AM) и частотная (ЧМ) модуляции получили значительное распространение в системах радиосвязи и вещания. Учеными и инженерами всего мира было сделано огромное число исследований и изобретений, направленных на их совершенствование.

Изобретение ЧМ относится к первым годам XX века. Однако в течение почти тридцати лет, до работ знаменитого американского инженера Э. Х. Армстронга, оно не находило практического применения. Начиная с 40-х годов этот вид модуляции получил широчайшее применение в огромном числе систем связи самого различного назначения: подвижной, радиорелейной, спутниковой связи, в ОВЧ-ЧМ вещании. Сотни научных и экспериментальных работ были направлены на исследование искажений ЧМ сигналов, возникающих в линейных цепях связных устройств, и помехоустойчивости приема таких сигналов.

Передачу речи с помощью AM первым, по-видимому, осуществил один из пионеров радиотехники, американский инженер Фессенден. Модуляция осуществлялась путем включения микрофона, изменяющего затухание в цепи, связывающей передающую антенну и машинный генератор высокой частоты. Этот вид модуляции с 1920 года стал основным в звуковом радиовещании в диапазонах низких, средних и высоких частот (НЧ, СЧ и ВЧ) и сети аналогового AM вещания, которые уже восемьдесят лет развиваются во всех странах мира. До 40-х годов этот вид модуляции использовался не только в вещании, но также и во всех других видах радиосвязи.

Большое значение для электросвязи имело изобретение американским ученым Карсоном амплитудной модуляции с одной боковой полосой (ОБП), сделанное в 1915 году. Этот метод модуляции позволяет весьма эффективно использовать полосу частот канала связи. Системы с ОБП широко применяются до сих пор в системах многоканальной связи и в телевизионном (ТВ) вещании.

В середине XX века из-за чрезвычайно острой проблемы "тесноты в эфире", сохраняющейся и в настоящее время, были предприняты исследования возможности сокращения полосы канала, необходимой для передачи вещательных сигналов. Модернизация сетей AM вещания путем их перевода на ОБП была в середине XX века практически невозможна из-за того, что это требовало замены огромного парка вещательных приемников. Поэтому значительные усилия инженеров были направлены на создание "совместимой ОБП" - нового вида модуляции, с помощью которого можно было бы, с одной стороны, в два раза уменьшить полосу частот, занимаемую каждой станцией, а с другой - сохранить неизменным существующий парк приемников. Такой вид модуляции был предложен в 50-х годах учеными СССР и США. Сокращение занимаемой полосы частот в данном виде модуляции достигалось за счет дополнительной фазовой модуляции AM сигнала. Несмотря на успешные эксперименты, данный вид модуляции практического применения не нашел. В 80-х годах вновь встал вопрос о сокращении в два раза полосы частот вещательных станций в диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ. Этот вопрос исследовался в МСЭ, и его предполагалось решить путем поэтапного внедрения до 2015 года ОБП. Однако к концу XX века стало ясно, что эпоха применения аналоговых методов передачи сигналов по каналам связи завершается, и для этих диапазонов частот были разработаны новые цифровые системы звукового вещания.

В СССР в 1939 году был изобретен еще один метод аналоговой модуляции, названный полярной модуляцией (ПМ). Суть этого метода состоит в том, что положительная полуволна несущей частоты модулируется по амплитуде одним сообщением, а отрицательная - другим. В СССР этот метод был выбран для создания системы стереофонического ОВЧ-ЧМ вещания. Передача стереосигналов осуществлялась путем модуляции методом ПМ поднесущей частоты 31. 25 кГц от двух разнесенных в пространстве микрофонов.

Хронология
1902 год Изобретение системы передачи сигналов методом частотной модуляции (ЧМ) (США - Корнелиус Д. Эрет).
1906 год Первый опыт передачи речи и музыки по радио методом AM с помощью машин высокой частоты (США - Р. Фессенден).
1915 год Изобретение метода амплитудной модуляции с одной боковой полосой (ОБП) (США - Дж. Р. Карсон).
1935 год Начало широкого применения ЧМ в радиовещании (США - Э. Х. Армстронг).
1939 год Изобретение полярной модуляции (СССР - А. И. Косцов).
1939 год Изобретение совместимой ОБП (СССР - С. И. Тетельбаум; США - Л. Кан (1961 г.)).
1964 год Изобретение однополосной частотной модуляции (США - К. А. Вон Урфф и Ф. И. Зонис).

Импульсные методы модуляции
Еще в начале XX века инженеры предпринимали поиски импульсных методов передачи непрерывных сигналов (телефонии, телевидения и т. п.). В 30-50-х годах были изобретены методы передачи сигналов с помощью амплитудно-импульсной (АИМ), широтно-импульсной (ШИМ), фазово-импульсной (ФИМ) и других разновидностей импульсной модуляции. Исследования помехоустойчивости приема сигналов с разными видами импульсной модуляции были выполнены в 40-х и 50-х годах. На базе ФИМ и других видов импульсной модуляции в середине XX века создавались многоканальные радиорелейные линии (РРЛ) связи.

Хронология
1919 год Изобретение метода преобразования непрерывных сообщений в импульсные с помощью катодно-лучевой трубки (СССР - И. Г. Фреймам).
1932 год Изобретение системы радиотелефонной связи с ШИМ (СССР - А. Л. Минц).
1935 год Изобретение многоканальной системы связи с АИМ (СССР - С. Н. Кокурин).
1944 год Создание в диапазоне 5 ГГц восьмиканальной РРЛ с ФИМ (США - фирма "Вестерн-Электрик").
1949 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с помощью ФИМ (СССР - С. В. Бородич).
1952 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с ФИМ (СССР - Г. В. Длугач).
1954 год Разработка многоканальной системы с ФИМ-ЧМ (США - С. Метзгер).
1958 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с ФИМ-ЧМ (СССР - Г. А. Малолепший).

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые
Необходимо отметить два основных метода преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму - импульсно-кодовую (ИКМ) и дельта-модуляцию (ДМ), которые традиционно относят к видам модуляции, хотя таковыми они, по сути, не являются, поскольку не связаны, как это характерно для всех остальных видов модуляции, с изменениями параметров несущей частоты. Оба вида модуляции были изобретены в 40-х годах и приобрели исключительно большое значение в конце XX века, когда началась глобальная цифровизация систем связи и вещания.

Изобретателем ИКМ является французский инженер Ривс. При ИКМ преобразования аналогового сигнала в цифровую форму осуществляют в два этапа. На первом этапе этот сигнал модулирует по амплитуде последовательность импульсов, следующих с частотой, определяемой теоремой Котельникова и равной 2FB, где FB - верхняя частота спектра сигнала. На втором этапе диапазон возможных уровней сигнала разбивается на 2n интервалов и определяется, в каком из интервалов находится уровень каждого из модулированных импульсов. В результате каждый импульс преобразуется в n-значную бинарную кодовую комбинацию, соответствующую данному интервалу. Для увеличения динамического диапазона сигналов, преобразуемых в цифровую форму, применяются компандеры, а при обратном преобразовании - экспандеры. Метод ИКМ нашел широкое применение в современных системах связи при передаче звуковых сигналов и сигналов телевидения.

Дельта-модуляция (ДМ) была изобретена независимо несколькими учеными в конце 40-х - начале 50-х годов во Франции (Е. Делорейн, С. ван Миеро и Б. Дерьявич), СССР (Л. А. Коробков) и США (К. К. Катлер, Ф. де Яджер). При ДМ формируется разность между текущим значением аналогового сигнала и его предсказанным значением на основе предшествующих отсчетов. Эта разность преобразуется в цифровую форму. В изобретениях, сделанных во Франции и СССР, для квантования разностного сигнала использовался бинарный код, символы которого принимают значения (1 или 0) или (±1). Для получения высокой точности преобразования аналогового сигнала в цифровую форму методом ДМ требуется более высокая (в 10-15 раз), чем в ИКМ, частота дискретизации. В 1952 году был предложен метод дельта-ИКМ (ДИКМ), в котором указанная выше разность преобразуется в k-значную кодовую комбинацию с помощью ИКМ. Применение ДИКМ позволяет при заданной точности преобразования аналогового сигнала в цифровую форму уменьшить частоту дискретизации и общую скорость полученного в результате преобразования цифрового потока. В 60-е годы были предложены многочисленные разновидности ДМ, в том числе ДМ с двойным интегрированием, ДМ с компандированием сигналов (адаптивная ДМ) и др.

Начало исследований искажений, которыми сопровождается преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму с помощью ИКМ и ДМ, было положено работами американских ученых Беннетта и Ван де Вега. В этих исследованиях устанавливались зависимости мощности и спектра продукта искажений от параметров метода преобразования (частоты дискретизации, динамического диапазона аналогового сигнала, числа уровней квантования и т. д.). Особенно интенсивные исследования точности преобразования сигналов с помощью ИКМ, ДМ и ДИКМ были выполнены в США и СССР в 60-70-х годах. Были исследованы точность разных алгоритмов преобразования, осуществлен синтез оптимальных алгоритмов преобразования с учетом статистических свойств аналогового сигнала.

Важные результаты, относящиеся к помехоустойчивости приема сообщений при использовании ИКМ, были получены в конце 40-х годов в США и СССР К. Шенноном и профессором С. В. Бородичем.

Хронология
1938 год Изобретение ИКМ (США - А. Ривс).
1944 год Первое исследование точности преобразования аналоговых сигналов методом ИКМ (США - В. Р. Беннетт).
1946 год Изобретение ДМ (Франция - Е. Делорейн, С. ван Миеро и Б. Дерьявич (1946 г.); СССР - Л. А. Коробков (1948 г.); США. - Ф. де Яджер).
1948 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с помощью ИКМ (США - Б. Оливер, Дж. Пирс, К. Шеннон; СССР - С. В. Бородич (1949 г.).
1952 год Изобретение ДИКМ (США - К. К. Катлер).
1952 год Первое исследование точности преобразования аналоговых сигналов методом ДИКМ (США - Г. Ван де Вег).
1960-1975 годы Теоретические и экспериментальные исследования и оптимизация различных алгоритмов ИКМ, ДМ и ДИКМ (СССР - А. И. Величкин, М. Д. Венедиктов; США - Дж. Макс, Дж. Е. Эбейт, Дж. Б. О'Нейл).

Цифровые методы модуляции
На первом этапе развития радиосвязи долгое время использовались искровые передатчики и применялись, по существу, импульсные методы передачи сигналов с амплитудной манипуляцией (АМн). С созданием генераторов непрерывных электрических колебаний (вначале дуговых, затем машинных и позднее ламповых) начали изобретаться новые методы модуляции, основанные либо на непрерывном изменении амплитуды (AM), частоты (ЧМ) и фазы (ФМ) излучаемых колебаний при передаче непрерывных сообщений, либо дискретной манипуляцией этими параметрами (соответственно АМн, ЧМн и ФМн) при передаче дискретных (телеграфных) сигналов. Фазовая манипуляция, изобретенная знаменитым американским ученым Г. Найквистом в 1928 году, долгое время не находила применения из-за явления "обратной работы", возникающего вследствие невозможности восстановления на приеме опорного колебания, строго синфазного с несущей частотой принимаемого сигнала. С 30-х годов в течение почти сорока лет велись интенсивные научные исследования по разработке методов синхронного приема сигналов с ФМн, в которых принимали активное участие ученые и инженеры Франции, СССР, США и других стран.

В 1954 году советским ученым Н. Т. Петровичем было сделано важное изобретение относительно-фазовой манипуляции (ОФМ) - метода передачи, когда фаза последующей посылки изменяется при изменении полярности передаваемого знака относительно предыдущего. Этот метод устранил проблему "обратной работы" при приеме сигналов с фазовой манипуляцией и в течение многих десятилетий широко применялся в системах цифровой связи.

Важные изобретения, которые в последующем нашли широкое применение в системах связи, были сделаны советскими академиками А. Н. Щукиным и А. А. Пистоль-корсом. Они впервые предложили для передачи телеграфии применять многопозиционные сигналы. Первый из названных ученых изобрел систему двойного частотного телеграфирования (ДЧТ), а второй - многократную ФМн.

Проблемы повышения эффективности использования спектра привели к разработке в конце XX века манипуляции минимального частотного сдвига (ММС), в которой за время передачи одного знака фаза сигнала линейно изменяется в зависимости от его полярности на ±я/2. Сигналы ММС обладают весьма компактным спектром с весьма низким уровнем внеполосного излучения. В 1960 году были изобретены N=2n-позиционные сигналы с квадратурной амплитудной манипуляцией (KAM-N), в которой амплитуда квадратурных составляющих излучаемого колебания могла принимать от 8 до 128 значений (КАМ-16 и КАМ-256). Новые методы манипуляции сегодня широко применяются в радиорелейных, спутниковых и подвижных системах связи.

В середине века была изобретена синхронная система "Кинеплекс", называемая иногда иначе - OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). В этой системе для передачи многоканальной телеграфии каждое из М колебаний, частотный разнос между которыми был обратно пропорционален длительности передаваемого знака, модулировалось с помощью ОФМ. В системе "Кинеплекс" полоса частот канала связи используется весьма эффективно.

В конце XX века эта система, названная COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing), была существенно усовершенствована специалистами ряда стран: для манипуляции отдельных колебаний применялась КАМ, использовались помехоустойчивые коды. На базе COFDM создавались системы ВЧ связи, подвижной связи и т. п. Этот вид модуляции будет весьма широко использоваться в XXI веке в цифровых системах звукового (DAB) и телевизионного (DVB) вещания.

Хронология
1915 год Первое применение ЧМн (США - В. Паульсен), Э. Х. Армстронг в 1927 году предложил применять ЧМн.
1928 год Изобретение фазовой манипуляции (ФМн) (США - Г. Найквист).
1932-1942 годы Разработка методов приема сигналов с ФМн (Франция - Г. Бельсиз; СССР - А. А. Пистолькорс, В. И. Сифоров, Е. Г. Момот).
1933 год Изобретение системы двойного частотного телеграфирования (ДЧТ) (СССР - А. Н. Щукин).
1935 год Изобретение многократной ФМн (СССР - А. А. Пистолькорс).
1954 год Изобретение относительно-фазовой манипуляции - ОФМ (СССР - Н. Т. Петрович).
1956 год Изобретение метода синхронного приема сигналов с ФМн (США - Д. Костас).
1957 год Изобретение системы передачи "Кинеплекс" (США - М. Л. Доелс, Е. Т. Хелад, Д. Л. Мартин).
1960 год Изобретение квадратурно-амплитудной модуляции - КАМ (США - К. Кан).
1979 год Изобретение манипуляции с минимальным частотным сдвигом (ММС) (США - С. Пасьюпаси).
1981-1991 годы Создание различных систем, использующих COFDM: для ВЧ связи, подвижной связи, цифрового звукового и телевизионного вещания (Франция, Германия, Япония).

Методы кодирования
Начало истории кодирования можно отнести к 1948 году, когда была опубликована знаменитая статья Клода Шеннона, доказавшего принципиальную возможность безошибочной передачи сигналов, если скорость передачи меньше пропускной способности канала связи, которая тем больше, чем выше отношение сигнал/шум на входе приемного устройства. Это указывало на то, что энергетика линий связи определяет только их пропускную способность, а сколь угодно высокой помехоустойчивости приема сообщений можно достигнуть путем применения специальным образом построенных кодов. Революционные идеи Шеннона осуществили переворот в сознании инженеров-связистов, ведь до создания этой теории считалось само собой разумеющимся, что единственные возможности повышения помехоустойчивости приема сигналов состоят в увеличении мощности передатчика или в многократной передаче по каналу связи одного и того же сообщения. Оба эти способа приводят к весьма низкой эффективности использования пропускной способности канала связи.

Многочисленные исследования 50-х годов XX века были направлены на решение следующих проблем теории кодирования:

построение кодов с хорошими корректирующими свойствами;
выбор алгоритма декодирования, имеющего малую сложность;
согласование кодов, корректирующих ошибки, видов модуляции, алгоритмов декодирования и характеристик канала связи.
Первые блочные коды, позволявшие корректировать одиночные ошибки, были построены в 1949 и 1950 годах известными американскими учеными М. Дж. Голеем и Р. Хэммингом. При блочном кодировании последовательность информационных символов разбивается на отдельные блоки определенной длины. Для каждого такого блока формируются дополнительные проверочные символы, которые образуются путем сложения по модулю 2 определенных информационных символов. Блоки информационных и проверочных символов передаются в канал связи. Коды Хэмминга имели простой алгоритм декодирования и позволяли корректировать одну ошибку в кодовой комбинации. Эти коды были разочаровывающе слабы по сравнению с тем, на что указывала теория Шеннона, однако их значение весьма велико, так как их создание дало толчок для огромного числа последующих работ в области алгебраической теории кодирования.

Работа Хэмминга явилась катализатором цепной реакции выдвижения новых идей в данной области, которая началась с 1954 года. Американский ученый И. С. Рид был первым, кто использовал мажоритарное декодирование кодов Рида-Маллера. При мажоритарном декодировании для каждого информационного символа формируется нечетное число оценок путем сложения по модулю 2 определенных комбинаций символов принятого кода. Решение об истинном значении принятого символа принимается по мажоритарному принципу - если большее количество оценок равно 1, то принимается именно такое решение. В 1963 году Дж. Л. Месси установил общие принципы построения и декодирования подобных кодов. Достоинством мажоритарно декодируемых кодов является чрезвычайная простота и быстродействие алгоритмов декодирования. Однако класс таких кодов весьма мал, и эти коды слабее других. Значительный вклад в создание теории построения мажоритарно декодируемых кодов внесли в 1965 году советские ученые В. Д. Колесников и Е. Т. Мирончиков.

Весьма интересный класс блочных кодов был предложен в 1954 году американским ученым Г. Форни. Каскадные коды формируются следующим образом: последовательность информационных символов длиной n = n1 * n2 записывается в буферную память в виде таблицы, имеющей n1 столбцов и n2 строк. Символы отдельных строк и столбцов кодируются с помощью корректирующих кодов (соответственно внутреннего и внешнего), и дополнительные проверочные символы вместе с информационными передаются по каналу связи. Весьма значимые результаты по исследованию каскадных кодов были получены Г. Форни и советскими учеными Э. Л. Блохом и В. В. Зябловым. Исследования последних (1976 и 1982 гг.) показали, что при соответствующем выборе внутреннего и внешнего кодов каскадные коды позволяют разрешить указанные выше проблемы помехоустойчивого кодирования.

В 1955 году в США и СССР был предложен весьма важный класс сверточных или рекуррентных кодов, нашедший широкое применение в современной технике связи. Исследования, связанные с построением таких кодов и разработкой эффективных с вычислительной точки зрения алгоритмов их декодирования, заняли почти двадцать лет.

В этом классе кодов информационная последовательность символов разбивается на блоки, содержащие по m символов, которые поступают на линейный преобразователь, имеющий память на K-подобных блоков. В этом преобразователе каждый блок из m поступивших символов с учетом содержащихся в памяти K-блоков (K - длина кодового ограничения), преобразуются в n (n > m) символов, передаваемых по каналу связи. При этом относительная скорость передачи информации составляет R = m/п. Сверточные коды являются частным случаем блочных линейных кодов. Однако введение сверточной структуры наделяет эти коды рядом дополнительных свойств, которые существенно облегчают его декодирование. Эти коды имеют древовидную или решетчатую структуру. Каждому ребру древовидной структуры соответствует определенная последовательность m информационных символов. По принятой последовательности символов для каждого ребра может быть найден его вес - число, характеризующее его расстояние от принятой последовательности. Для измерения этого расстояния может быть использована метрика Хэмминга, если в демодуляторе принимается жесткое решение, или евклидова метрика, если декодирование осуществляется по методу максимума правдоподобия. Декодирование сверточных кодов состоит в прослеживании по кодовой решетке того пути, для которого расстояние от принятой последовательности символов имеет минимальное значение. Сверточная структура кода позволяет использовать рекуррентные алгоритмы, существенно упрощающие вычисления этого расстояния.

Для декодирования этих кодов американским ученым Дж. Возенкрафтом в 1957 году был предложен изящный алгоритм последовательного декодирования, в соответствии с которым в декодере просматриваются не все возможные пути по ребрам кодовой решетки сверточного кода, а наиболее вероятные. Если декодер выбрал на каком-то шаге неверный путь, то он вскоре обнаруживает, что при последующих выборах ребер происходит быстрое увеличение расстояния между выбранным путем и принимаемой последовательностью. Это является сигналом к тому, чтобы декодер сделал несколько шагов назад и начал исследовать альтернативные, более правдоподобные пути. При последовательном декодировании число вычислений на одно ребро является случайной

величиной, и в памяти декодера должны храниться вычисленные расстояния для всех исследованных ветвей. Первые исследования алгоритма последовательного декодирования выполнили Дж. Возенкрафт и Б. Рейффен. В 1963 году его усовершенствовал P. M. Фано, в 1966 году эффективную модификацию этого алгоритма предложил советский ученый К. Ш. Зигангиров, а несколько позднее (1969 г.) аналогичное предложение сделал американский ученый Ф. Джелинек.

Значительным достижением в области теории кодирования явилась разработка в 1967 году одним из крупнейших американских ученых А. Витерби весьма эффективного с вычислительной точки зрения алгоритма декодирования сверточных кодов по максимуму правдоподобия. Этот алгоритм, в отличие от алгоритма последовательного декодирования, исследует все возможные пути по кодовой решетке на длине кодового ограничения k, поэтому он применим для декодирования сверточных кодов при сравнительно небольших значениях K = 1-10.

Сверточные коды и алгоритмы Витерби и последовательного декодирования получили в настоящее время весьма широкое распространение в магистральных радиорелейных и спутниковых системах связи.

Американский ученый Д. Слепян, получивший значительные результаты в разных областях теории связи, был первым, кто в 1956 году заложил строгий фундамент теории линейных блочных кодов с проверкой на четность - математическую теорию групп.

В 1957 году другой американец, Е. Прейндж, первый ввел понятие циклического кода и указал на его связь с идеалами алгебр. Циклические коды являются важным подклассом линейных кодов, которые имеют эффективные алгоритмы кодирования и декодирования, основанные на применении идей алгебраической теории полей Галуа. Значительный вклад в разработку теории этих кодов внесли американские ученые Пи-терсон, Берлекамп и Касами.

Весьма важный и обширный класс линейных циклических кодов Боуза, Рой-Чоудхури (США, 1960 г.) и Хоквингема (Франция, 1959 г.), названный кодами БЧХ по первым буквам имени открывших их независимо ученых, позволял корректировать многократные ошибки в принятой кодовой комбинации. Эти коды имели следующие параметры: n = 2m - 1, k > 2m - 1 - mt, d > 2t + 1 (здесь n - длина кода, k - число информационных символов в кодовой комбинации, t - количество корректируемых ошибок, d - минимальное хэммингово расстояние между кодовыми комбинациями). Декодирование кодов БЧХ производят на основе решения определенных алгебраических уравнений.

Были построены специальные коды для работы в каналах связи, в которых возникают пакеты ошибок. Однако задача коррекции пакетов ошибок может быть сведена к задаче коррекции независимых ошибок путем применения метода перемежения символов, который состоит в перестановке передаваемых символов таким образом, чтобы соседние символы передаваемой кодовой комбинации оказывались разнесенными в достаточной степени во времени так, чтобы их искажения в канале связи были независимыми. На приеме производится восстановление исходного порядка символов. Эта простая идея, выдвинутая в 1960 году советскими учеными академиком А. А. Харкевичем и профессором Э. Л. Блохом и позднее (1970 г.) американским ученым Дж. Л. Рамсеем, сегодня применяется во многих системах радиорелейной и подвижной связи, в которых при приеме цифровых сигналов имеет место группирование ошибок.

Сердцем любой цифровой системы связи является аналоговый канал. Цифровая система связи для такого канала включает модулятор/демодулятор (модем), преобразующий аналоговый канал в дискретный так, чтобы можно было использовать кодер/декодер (кодек).

Наименьшую вероятность ошибки можно получить, вычисляя в демодуляторе расстояния между принятым сигналом и всеми возможными кодовыми комбинациями. Решение принимается в пользу той кодовой комбинации, которая находится на минимальном расстоянии от принятого сигнала. Однако при этом для кодов большой длины, имеющих огромное количество кодовых комбинаций, сложность демодулятора столь сильно возрастает, что его практическая реализация становится невозможной. Поэтому использование кодов дает наилучшие результаты при разумном согласовании модема и кодека. Это возможно, если в демодуляторе принимается мягкое решение о принимаемом символе и если декодер получает дополнительную информацию, характеризующую надежность решения, принятого в демодуляторе. В простейшем случае при передаче бинарных сигналов в демодуляторе те принимаемые символы, для которых надежные решения не могут быть приняты, стираются, и декодер извещается о тех позициях кода, на которых находятся стертые символы.

Идеи применения мягкого решения в демодуляторе для декодирования кодовых комбинаций зародились почти с самого начала возникновения теории кодирования. Первой работой в этом направлении можно считать выполненное в 1954 году американскими учеными Сильверманом и Болсером исследование помехоустойчивости приема с мягким решением кода Вагнера, содержащего всего один избыточный двоичный символ для проверки информационных символов на четность. На приеме принимается жесткое решение о значениях всех принятых символов и, кроме того, дополнительно определяется наименее надежный из них. При декодировании этот символ изменяется на противоположный в том случае, если проверка принятой кодовой комбинации на четность не выполняется. При наличии всего одного проверочного символа в кодовой комбинации такой алгоритм декодирования позволял корректировать в ней одиночные ошибки. Эта идея была позже в обобщенном виде применена к декодированию кодов БЧХ в канале со стираниями ненадежно принятых символов.

С конца 60-х - начала 70-х годов были выполнены многочисленные исследования, направленные на разработку методов приема сигналов в целом. При этом в приемном устройстве решение о приеме той или иной кодовой комбинации принимается по методу максимального правдоподобия, то есть при декодировании ищется такая кодовая комбинация, которая находится на наименьшем евклидовом расстоянии от принятого сигнала. Учет структуры кода позволял существенно упростить вычисления этого расстояния.

Для сверточных кодов их декодирование при мягком решении в демодуляторе можно осуществить, используя алгоритмы Витерби и последовательного декодирования.

Для кодов с пороговым декодированием применение мягкого решения исследовалось в США Дж. Л. Месси и несколько позже в СССР Л. М. Финком и Б. Д. Каганом.

Для блочных кодов в начале 70-х годов американскими учеными Е. Велдоном и Д. Чейзом были предложены алгоритмы декодирования, использующие мягкое решение демодулятора и позволяющие приблизиться к решению по максимуму правдоподобия.

С 80-х годов появилось новое научное направление - разработка и анализ помехоустойчивости приема специально построенных сигналов, названных сигнально-кодовыми конструкциями. Это направление представляет собой синтез методов модуляции, кодирования и их оптимального приема и позволяет создавать системы связи, в которых по каналу связи, имеющему ограниченную полосу частот, возможно передавать информацию с качеством, приближающимся к потенциальному пределу, определяемому положениями теорий Котельникова и Шеннона.

В 1982 году в результате теоретических исследований американского ученого Г. Унгербоека была создана решетчатая кодовая модуляция (РКМ). Этот вид модуляции основывается на сочетании многопозиционных сигналов и помехоустойчивых кодов. При этом ансамбль многопозиционных сигналов, содержащий М=2n сигналов, разбивается на K = 2k+1 вложенных подансамблей с монотонно возрастающими расстояниями. В качестве сигналов используются многопозиционная ФМ и КАМ. Информационная последовательность символов преобразуется в кодовую с помощью сверточного кода, который применяется к кодированию k из п информационных символов, причем сверточный код имеет скорость k/k+1 и вводит 1-битовую избыточность. Кодированные биты определяют выбор подансамбля, а некодированные - конкретную сигнальную точку в этом выбранном подансамбле. Для оптимального приема сигналов РКМ используется метод максимального правдоподобия, реализуемый в виде алгоритма Витерби. Применение РКМ позволяет (при заданных скорости передачи сигналов и вероятности ошибочного приема) уменьшить необходимые энергетику линии и полосу частот. Этот вид модуляции находит применение на магистральных высокоскоростных линиях радиорелейной и спутниковой связи.

Весьма обширные исследования помехоустойчивости различных методов приема сигнально-кодовых конструкций в гауссовском канале связи были выполнены советскими учеными С. Л. Портным, В. В. Зябловым, В. В. Гинзбургом и В. Л. Банкетом.

Хронология
1949 год Создание линейного кода М. Дж. Голея (США).
1950 год Создание кодов Р. Хэмминга, корректирующих одиночные ошибки (США).
1954 год Создание и исследования каскадных кодов (США - Г. Форни. СССР - Э. Л. Блох и В. В. Зяблов).
1954 год Создание кодов с мажоритарным декодированием (США - И. С. Рид и Д. Е. Маллер).
1954 год Исследование помехоустойчивости приема с мягким решением для кода Р. А. Вагнера (США - Сильверман и М. Болсер).
1955 год Создание сверточных кодов (США - П. Элайес; СССР - Л. М. Финк и В. И. Шляпоберский).
1956 год Применение математического аппарата теории групп к построению линейных кодов, корректирующих ошибки (США - Д. Слепян).
1956 год Исследование линейных переключающих схем с точки зрения теории линейных фильтров и применение генераторов с регистром сдвига для получения кодов, исправляющих ошибки (США - Д. А. Хаффмен).
1957 год Первые исследования циклических кодов (США - Е. Прейндж).
1957 год Открытие метода последовательного декодирования (США - Дж. Возенкрафт).
1959 год Создание кодов БЧХ (США - Р. К. Боуз и Д. К. Рой-Чоудхури (1960 г.), Франция - А. Хоквингем (1959 г.)).
1960 год Исследование помехоустойчивости приема сигналов в канале с группированием ошибок при использовании метода перемежения информационных символов (СССР - А. А. Харкевич и Э. Л. Блох (1960 г.), США - Дж. Л. Рамсей (1970 г.)).
1960 год Создание эффективных линейных блоковых кодов (США - И. С. Рид и Г. Соломон).
1961 год Исследование эффективности метода последовательного декодирования (США - Дж. Возенкрафт и Б. Рейффен).
1963 год Исследования методов мажоритарного декодирования блоковых кодов как при жестком, так и при мягком решении демодулятора (США - Дж Л. Месси).
1963 год Создание модификации алгоритма последовательного декодирования (США - P. M. Фано).
1965 год Исследования циклических кодов с мажоритарным декодированием (СССР - В. Д. Колесников и Е. Т. Мирончиков).
1966 год Создание стэк-алгоритма последовательного декодирования (СССР - К. Ш. Зигангиров, США - Ф. Джелинек (1969 г.)).
1967 год Алгоритм декодирования сверточных кодов по максимуму правдоподобия (США - А. Дж. Витерби).
1971-1972 годы Алгоритмы мягкого декодирования блочных кодов (США - Е. Велдон и Д. Чейз).
1982 год Исследования решетчатой кодовой модуляции (США - Г. Ундербоек).
1982-1991 годы Исследования помехоустойчивости различных методов приема сигнально-кодовых конструкций в гауссовском канале связи (СССР - С. Л. Портной, В. В. Зяблов, В. В. Гинзбург, В. Л. Банкет).

Широкополосные методы модуляции
Весьма важными достижениями инженеров XX столетия явились изобретение широкополосных сигналов (ШПС) и создание на их основе новых систем радиосвязи и радиолокации. Широкое использование этих сигналов для создания радиосистем массового применения началось в последние 10-15 лет. Однако к разработке идей их использования для повышения помехоустойчивости приема приступили еще в 40-х годах. В обычных видах модуляции информационный поток изменяет амплитуду, фазу или частоту гармонического колебания - несущей частоты. При этом ширина спектра излучаемого в эфир сигнала соизмерима с шириной спектра модулирующего сигнала. Однако переносчиком информации может быть не только гармонический, но и сложный широкополосный сигнал. Такой сигнал может быть сформирован разным образом: несущая может быть модулирована вспомогательной кодовой последовательностью или вспомогательным аналоговым сигналом по фазе, частоте или амплитуде.

Первые работы, связанные с ШПС, были направлены на разработку методов борьбы с мощными радиопомехами, мешающими приему радиолокационных сигналов. В последующие годы были разработаны и нашли применение в системах радиосвязи три основных способа формирования ШПС.

Первые идеи построения ШПС были связаны с ЧМ несущей частоты вспомогательным сигналом, структура которого должна была быть известна на приеме. Одно из первых изобретений, позволяющих выделить ШПС на фоне шума и мощной помехи, представляющее, по сути, полосовой коррелятор, было сделано еще в 1942 году. В этом же году было сделано еще одно пионерское изобретение - способ формирования ШПС методом скачкообразного изменения частоты несущего колебания за время передачи одного информационного символа (FH-SS - Frequency Hopping Spread Spectrum). Честь этого изобретения, долгое время остававшегося секретным, принадлежит известной американской актрисе Хэди Ламар, признанной в 1940 году на конкурсе красоты самой красивой женщиной мира, и ее мужу - композитору Георгу Атсейлу. Изобретенный ими принцип формирования широкополосных сигналов сегодня находит применение в ряде систем связи. В отечественной литературе такие сигналы называют сигналами с частотно-временной матрицей (ЧВМ).

Другим методом формирования ШПС, дуальным к методу ЧВМ и разработанным в 1946 году, является метод скачкообразного изменения относительного временного положения коротких кодовых импульсов за время передачи одного информационного символа (TH-SS - Time Hopping Spread Spectrum).

Один из наиболее широко применяемых сегодня на практике способов формирования ШПС, который называется методом прямого расширения спектра путем непосредственной фазовой модуляции несущей определенной кодовой последовательностью (DS-SS - Direct Sequence Spread Spectrum), был изобретен американскими специалистами Дж. Г. Грином и М. Г. Никольсоном в 1957 году. Ими был предложен метод построения бинарной кодовой последовательности с хорошими корреляционными свойствами. Позже было выполнено значительное число работ, посвященных синтезу подобных псевдослучайных последовательностей с помощью регистров сдвига. К пионерским теоретическим работам в этом направлении относятся исследования С. Голомба (1955 г.) и Н. Цирлера (1959 г.).

Во всех указанных случаях возможно создание в общей полосе частот больших ансамблей сигналов, которые отличаются либо законом чередования фазы несущей частоты для сигналов DS-SS, либо законом изменения значения несущей частоты для сигналов FH-SS, либо определенной временной расстановкой коротких импульсов для сигналов TH-SS. Аналогично тому, как в системах с ЧУ и ВУ сигналы разных каналов могут быть разделены по частоте либо по временному положению, которое они занимают в общей временной последовательности, возможно разделение и разных сигналов ансамбля ШПС по индивидуальной кодовой структуре каждого из этих сигналов. Таким образом, ШПС могут использоваться в качестве переносчиков информации подобно тому, как используются гармонические колебания в обычных системах связи. При этом аналогом AM является передача одного из ШПС, принадлежащего к определенному ансамблю сигналов, с определенной амплитудой, аналогом ФМн является манипуляция фазы ШПС, а аналогом обычной ЧМн является передача одного из двух возможных сигналов ШПС по линии связи.

Сигналы, не перекрывающиеся по спектру или времени, являются полностью ортогональными. Их применение в качестве переносчиков информации в многоканальных системах позволяет полностью разделить соответствующие каналы связи. В отличие от таких сигналов разные ШПС, принадлежащие к одному ансамблю, не являются полностью ортогональными, и поэтому при их разделении возникают дополнительные шумы. Однако их замечательное свойство состоит в том, что в системах связи, использующих ШПС, которые называются системами с кодовым разделением каналов (CDMA - Code Division Multiple Access) или асинхронно-адресными системами, поступающие на вход помехи подавляются в В = WIF раз, где В - база ШПС, W - полоса частот, занимаемая ШПС в канале связи, F - полоса частот информационного сигнала. В широкополосных системах связи В= 100 - 10 000, и в них обеспечивается весьма значительное подавление помех, действующих в той же самой полосе частот, в которой работает данная система. Данное свойство ШПС является уникальным и позволяет многократно использовать один и тот же частотный канал для связи разных абонентов на ограниченной территории. В традиционных системах связи для исключения возможности возникновения помех между зонами, в которых используется один и тот же частотный канал, должен быть обеспечен весьма значительный территориальный разнос. Таким образом, в системах CDMA достигается весьма высокая эффективность использования радиочастотного спектра. Кроме того, ШПС позволяют путем специальной обработки принимаемых сигналов эффективно бороться с замираниями сигналов в многолучевых каналах связи, разделяя отдельные лучи и осуществляя их когерентное сложение.

Первой системой, в которой начали применяться ШПС, явилась созданная в 1946 году система гиперболической навигации "Лоран", в которой около десятка пар станций работали в общем частотном канале независимо друг от друга, используя сигналы TH-SS. В 1952 году на этом же принципе было создано связное оборудование для передачи сигналов телефонии.

В 1958 году была создана первая система коротковолновой связи "Рейк" для работы в многолучевом канале, в которой ШПС применялись для разделения отдельных лучей и устранения замираний, вызванных их интерференцией.

Первые системы, использующие сигналы с FH-SS, появились в начале 60-х годов. В 1963 году была создана наземная система связи RACEP (Random Access and Correlation for Extended Perfomance), в которой для передачи полезных сообщений применялась ФИМ. Система занимала полосу частот 4 МГц и работала в диапазоне 140 МГц. Она позволяла осуществлять передачу сигналов телефонии и цифровой информации и давала возможность организации на одной территории сети связи с емкостью 700 абонентов. Наибольшее число одновременно работающих абонентов составляло 35. Несколько позже была создана аналогичная система RADAS - Random Access Adress System, в которой для передачи информации применялась ДМ.

С 1963 году на основе ШПС начинают создаваться спутниковые системы связи со свободным доступом к общему каналу связи, тропосферные радиорелейные системы связи с разделением отдельных лучей. Исследования эффективности применения ШПС в сравнении с другими методами модуляции в системах связи различных назначений начались с 1965 года.

В 90-х годах системы с ШПС начинают внедряться в системы сотовой подвижной связи. Подобные системы будут применяться в сотовых системах подвижной связи, широкое внедрение которых начнется в XXI веке. Исследования вопросов эффективности использования РЧС в таких системах и разработка методов их частотного планирования были начаты российским ученым Л. Е. Варакиным.

Хронология
1942 год Изобретение метода FH-SS для формирования ШПС (США - X. Ламар и Г. Атсейл).
1946 год Создание системы гиперболической навигации "Лоран", в которой используются сигналы TH-SS (США - Дж. А. Пирс).
1950 год Теоретические исследования возможностей создания ШПС методом TH-SS (США - В. Д. Уайт).
1952 год Создание системы СОМА для передачи сигналов телефонии с применением сигналов TH-SS (США).
1953 год Изобретение метода DS-SS для построения ШПС (США -Дж. Г. Грин, М. Г. Никольсон).
1955 год Применение генераторов с регистром сдвига для получения псевдослучайных последовательностей (США - Н. Цирлер, С. В. Голомб (1965 г.).
1960 год Создание наземной система связи RASEP с использованием сигналов с ЧВМ и ФИМ (США).
1963 год Создание системы RADAS, в которой для передачи информации применялись ЧВМ и ДМ (США).
1963 год Создание спутниковых систем с СОМА (США).
1963 год Создание тропосферных радиорелейных систем связи с использованием ШПС (США).
1965 год Первая теоретическая работа, в которой дано сравнение псевдошумовых и обычных методов модуляции в спутниковых системах с многократным доступом (США - Г. А. Блэзбалг).
1982 год Исследования возможностей использования широкополосных сигналов в сетях сотовой подвижной связи и разработка методов частотного планирования таких сетей (СССР - Л. Е. Варакин, М. А. Быховский (1995 г.); США - В. К. Ли, К. С. Гилхоусен и И. М. Джекобс (1991 г.) и др.).

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения автора.
От Офф-Топик
К Офф-Топик (20.06.2002 02:01:13)
Дата 20.06.2002 02:01:47

Эффективность каналов




Развитие методов эффективного использования каналов связи
...Если XVII столетие и начало XVIII столетия - век часов, то настоящее время есть век связи и управления.

Норберт Винер

Повышение эффективности использования канала связи достигается как путем применения разных методов уплотнения каналов связи, так и за счет сокращения избыточности сообщений.

Весьма актуальной проблемой электросвязи является вопрос об эффективном использовании каналов связи. Эта проблема возникла еще в XIX веке, и над ее решением работали многие инженеры и ученые. Одним из них был крупнейший американский изобретатель в области электросвязи Грей, который, по-видимому, первым предложил применение частотного уплотнения (ЧУ) проводных каналов связи, другим был французский инженер Бодо, изобретший метод временного уплотнения (ВУ). Эти методы позволяли по одному физическому каналу организовать передачу многоканальных сообщений. Они нашли широчайшее применение в технике электросвязи в XX столетии, в том числе в технике радиосвязи. При применении на передаче методов ЧУ или ВУ на приеме используются соответствующие методы разделения сигналов.

На начальном этапе развития радиосвязи при передаче аналоговых сигналов использовалось ЧУ. Временное уплотнение каналов для передачи телеграфных сигналов по радиоканалам начало применяться в 30-х годах, а для передачи аналоговых сигналов - в 40-х годах, когда стали создаваться радиорелейные системы с импульсными видами модуляции. В связи с внедрением цифровых систем связи в последние десятилетия XX века началось широкое применение многоканальных систем с ВУ, а также нового вида уплотнения каналов связи - кодового, основанного на использовании широкополосных сигналов с большой базой.

Сокращение избыточности передаваемых сообщений является другим методом, который позволяет повысить эффективность использования канала связи. Это особенно важно в современных системах, которые почти исключительно являются цифровыми.

Основными видами передаваемых сообщений до сего времени остаются звуковые и видеосигналы. Было установлено, что для качественной передачи этих сигналов в цифровом виде без применения методов сокращения избыточности сообщений требуются высокоскоростные системы. Скорость передачи сигналов в этих системах составляет: для речи - 64 Кбит/с, для звукового вещания - 350-600 Кбит/с, а для сигналов цветного ТВ - до 216 Мбит/с.

Для цифровых систем необходимая полоса частот канала связи увеличивается в десятки раз по сравнению с той, которая нужна для передачи звуковых и видеосигналов в аналоговом виде. С целью сокращения полосы частот, необходимой для создания цифровых систем связи, начиная с середины XX столетия выполняются многочисленные исследования и разработки, направленные на решение проблем сокращения избыточности сообщений.

Уплотнение каналов радиосвязи
Первые опыты по частотному уплотнению радиоканалов были осуществлены в США еще в 1914 году. После изобретения метода модуляции ОБП во многих странах велись разработки многоканальных радиосистем, использующих этот вид модуляции. В СССР первая такая работа была выполнена в 1935 году под руководством В. А. Котельникова. В этом же году в СССР была предложена система связи с многостанционным доступом и частотным разделением каналов (МДЧР), в которой отдельные каналы не закреплялись за абонентами. В этой системе абоненты имели возможность свободного доступа к отдельным частотным каналам, находящимся в пределах полосы частот, выделенной для работы многоканальной системы связи. Принцип свободного доступа существенно повышал эффективность использования этой полосы, и с 60-х годов XX столетия он начал широко использоваться в системах подвижной и спутниковой связи.

Советские ученые в 1941 году предложили применение метода ЧУ для создания многоканальных систем радиосвязи с ЧМ. Такие системы получили в XX веке широчайшее применение в радиорелейной связи.

С начала 60-х годов различные методы многостанционного доступа начинают применяться в системах спутниковой связи. Разрабатываются многоканальные системы "один канал на несущую - ОКН", в которых абоненты, используя ЧМ, имеют свободный доступ к любому из узкополосных частотных каналов системы. Позднее разрабатывается цифровая система SPADE, в которой на каждой несущей методом ОФМ-ИКМ передаются речевые сигналы. В этой системе предусмотрено выключение несущей в паузах речи, что позволяет увеличить число одновременно передаваемых через нелинейный спутниковый ретранслятор каналов до 800.

Создание спутниковых систем многостанционного доступа с временным разделением (МДВР) относится к 70-м годам. Эти системы весьма перспективны и также широко применяются в современной технике связи. В частности, они применяются в системах сотовой подвижной связи второго поколения, а также в радиорелейных линиях связи.

В 60-х годах в спутниковой связи начинают применяться системы многостанционного доступа с кодовым разделением (МДКР) каналов. В этих системах применяются широкополосные сигналы с большой базой, что позволяет многим абонентам, использующим такие сигналы с различной структурой, работать в общей полосе частот, не создавая друг другу ощутимых помех. Этот вид уплотнения оказался весьма эффективным, и в настоящее время он применяется в системах спутниковой и наземной, фиксированной и подвижной связи.

Хронология
1914 год Опыты по частотному уплотнению радиоканала (США - Р. А. Хейсинг).
1918 год Создание первой системы проводной связи с частотным уплотнением сигналами с ОБП (США).
1935 год Создание в СССР однополосной многоканальной системы передачи сигналов телефонии и телеграфии (В. А. Котельников, А. В. Черенков, А. Ф. Ганин).
1935 год Изобретение метода МДЧР (СССР - М. П. Долуханов).
1941 год Изобретение многоканальной системы связи ЧУ-ЧМ (СССР - И. С. Гоноровский, В. И. Сифоров).
1964 год Создание опытной спутниковой системы МДВР-ИКМ (США - фирма COMSAT).
1964 год Создание спутниковой системы связи с МДКР-ИКМ (США - Г. Блэсбарг, Д. Фридман, Р. Киилер).
1969 год Создание спутниковой системы "SPADE"-МДЧР-ИКМ (США - А. Вере).
1970 год Создание спутниковой системы SMAX МДВР-ИКМ (Япония - С. Накамура, С. Кондо, Ю. Иноге).


Сокращение избыточности при передаче звуковых сигналов
Речевые сигналы
Речевые сигналы занимают полосу частот, равную примерно 3 кГц. Для их передачи с высоким качеством в цифровом виде с помощью ИКМ требуется канал связи со скоростью передачи 64 Кбит/с. Устранение избыточности речевых сигналов позволяет уменьшить эту скорость. Одним из методов сокращения избыточности сигналов речи является применение адаптивной ДИКМ. В этом методе осуществляется преобразование в цифровую форму разности между передаваемым отсчетом сообщения и его предсказанным значением по нескольким предыдущим отсчетам. Применение ДИКМ позволяет для речевых сигналов сократить необходимую скорость передачи в 2-4 раза.

Уменьшить избыточность сигналов речи можно и с помощью вокодерной техники. Первое изобретение вокодера, позволявшего сократить избыточность речевых сигналов, было сделано в 1939 году американским инженером Г. Дадли. В течение многих лет инженеры США, России, Франции, Японии и других стран работали над совершенствованием вокодеров.

В вокодерах путем анализа речевого сигнала голосовой тракт моделируется формирующим фильтром, возбуждаемым импульсным и шумовым сигналами. В процессе анализа определяются основные параметры речевого сигнала - параметры формирующего фильтра и частота основного тона речи, определяющая частоту импульсного воздействия. Эти параметры изменяются медленно, и для их передачи требуется скорость 4.8-16 Кбит/с.

Вокодеры широко применяются в современных системах подвижной связи. В системе сотовой подвижной связи стандарта GSM применяется вокодер с многоимпульсным возбуждением и линейным кодированием с предсказанием.

Над проблемами создания вокодерной техники активно работали многие советские ученые: А. П. Петерсон, А. С. Пирогов, М. А. Сапожков, Н. Н. Акинфиев, С. П. Баронин, В. Е. Муравьев, Ю. К. Трофимов, А. И. Куштуев и др. Современные методы компрессии речевых сигналов позволяют повысить эффективность использования канала связи в 15-30 раз. Вокодеры находят применение не только в системах подвижной и спутниковой связи, но и в устройствах запоминания речи, криптографии речевых сигналов, в устройствах автоматического распознавания речи и т. п.

Повысить приблизительно в 2 раза эффективность использования каналов связи в многоканальных системах, по которым передаются сигналы речи, возможно и более простыми методами, без применения в каждом канале вокодеров. Этого можно достичь, используя то обстоятельство, что каждый абонент занимает канал только 40% времени, в течение которого он говорит. Первой подобной системой, в которой паузы речи использовались для увеличения пропускной способности каналов связи, была аналоговая 48-канальная система TASI, созданная в 1957 году для подводной кабельной телефонной связи между Европой и Америкой.

В 1978 году в СССР был разработан цифровой аналог системы TASI, названный блочной ИКМ (БИКМ). В системе БИКМ сигнал каждого канала длительностью 2 мс методом ИКМ преобразуется в цифровую форму, и из всех отсчетов этого сигнала исключаются старшие разряды, имеющие значения логического нуля. Данный метод дает экономию в числе передаваемых по каналу связи битов за счет того, что в нем учитываются не только паузы между словами и слогами, как в системе TASI, но и распределение уровней речевых сигналов. Он нашел применение в цифровых многоканальных системах передачи сообщений по радиорелейным и спутниковым каналам связи. Применение БИКМ в цифровых системах связи со скоростью передачи 2048 Кбит/с удваивает их пропускную способность, позволяя передавать по ним не 30, а 60 ТФ каналов с высоким качеством, удовлетворяющим Рекомендациям МСЭ.

Сигналы звукового вещания
Сигнал звукового вещания занимает полосу частот порядка 15 кГц и имеет значительный динамический диапазон (75 дБ). Для качественной передачи такого сигнала по цифровым каналам связи необходимо применение 16-разрядной ИКМ. При этом скорость цифрового потока при преобразовании сигнала 3В вещания с помощью линейной ИКМ составляет 512 Кбит/с.

Для сокращения избыточности вещательных сигналов в современной технике применяется несколько методов. В 1980 году в компании Би-Би-Си была создана система NICAM (Near Instantaneous Companded) - система ИКМ с почти мгновенным компандированием для сокращения избыточности сигналов звукового вещания. Ее также называют системой ИКМ с масштабирующими множителями. Заложенные в ней принципы сокращения избыточности по существу мало отличаются от изобретенной несколько раньше системы БИКМ. Применение мгновенного компандирования сигнала и введение масштабных коэффициентов для блоков из последовательных 32 отсчетов позволяет уменьшить количество двоичных разрядов на один отсчет с 16 до 9.

Использование ДИКМ с введением масштабирования для блоков отсчетов также позволяет сократить количество двоичных разрядов на один отсчет до 9. При этом скорость цифрового потока при преобразовании монофонического сигнала 3В вещания уменьшается до 320 Кбит/с.

Значительным успехом в сокращении избыточности сигналов звукового вещания явилась разработка в 1989 году метода MUSICAM, включенного в стандарт MPEG (Moving Picture Expert Group), который предназначен для сокращения избыточности ТВ сигнала, включая сигнал звукового сопровождения. В системе MUSICAM вещательный сигнал разбивается на 32 парциальные полосы частот. Преобразование сигналов каждой полосы частот в цифровые потоки с помощью ИКМ осуществляется в соответствии с управляющими сигналами психоакустической модели восприятия человеком звуковых сигналов. При этом количество двоичных разрядов на один отсчет сокращается до 2. Система позволяет сократить скорость цифрового потока, необходимого для передачи сигналов моновещания, до 100 Кбит/с. В цифровом потоке со скоростью 256 Кбит/с возможна передача стереопрограммы с качеством компакт-диска.

Хронология
1939 год Изобретение полосного вокодера (США - Г. Дадли).
1956 год Создание формантного вокодера (США - Дж. Флаган, К. Говард).
1957 год Создание гармонического вокодера (СССР - А. А. Пирогов). 1959 год - создание системы TASI (США - К. Булингтон и М. Фразер).
1962 год Разработка корреляционных методов сжатия спектра речи (США - М. Шредер).
1978 год Создание системы БИКМ (СССР - В. П. Кокошкин).
1980 год Разработка системы NICAM для сокращения избыточности сигналов звукового вещания (Великобритания - К. Р. Каин и Ю. В. О'Кларей).
1988 год Разработка высокоэффективной системы MUSICAM для сжатия сигнала звукового вещания.

Сокращение избыточности при передаче ТВ сигналов
Огромная работа во второй половине XX века была выполнена исследователями разных стран по разработке методов сжатия ТВ сигналов. Сокращение полосы частот таких сигналов обусловлено тем, что ТВ сигнал обладает большой избыточностью, так как имеются незначительные отличия двух последовательных кадров изображения и в каждом кадре имеются значительные однотонные участки. Эта избыточность приводит к особенностям спектра ТВ сигнала, которые могут быть использованы для сокращения полосы частот канала связи, требуемой для передачи ТВ сигнала. Такое сокращение возможно за счет использования статистических свойств изображения и психофизиологических особенностей визуального восприятия человека.

Первым исследованием, в котором было показано, что ТВ сигнал имеет значительную избыточность, так как основная энергия его спектра, имеющего линейчатую структуру, расположена на гармониках строчной и кадровой частоты, явилась работа, выполненная в 1934 году американскими инженерами П. Мертцом и Ф. Греем.

В 1950 году в США инженер Р. Дом предложил использовать частотное уплотнение спектра ТВ сигнала дополнительной информацией, передаваемой на поднесущей, частота которой выбиралась нечетно-кратной половине частоты строк, то есть она располагалась в середине между гармониками строчной частоты. Эти исследования в последующем были использованы при выборе частоты поднесущих для передачи сигналов цветности в спектре черно-белого ТВ сигнала. На этом принципе основаны все современные стандарты цветного ТВ (NTSC, PAL, SECAM).

В СССР первые исследования возможностей сокращения избыточности ТВ сигнала были проведены в конце 50-х годов Н. Г. Дерюгиным и Д. С. Лебедевым.

Одна из ранних идей использования линейчатого характера спектра ТВ сигнала состояла в том, чтобы в одном частотном канале передавать две ТВ программы, при этом спектр второго ТВ сигнала инвертировался и помещался в промежутки между частотными составляющими спектра первого ТВ сигнала. Разделение двух сигналов осуществлялось с помощью гребенчатых фильтров. Этот метод не нашел практического применения, но через тридцать лет на основе этих идей были созданы две современные аналоговые системы передачи ТВ сигналов высокой четкости (ТВЧ).

Одна из них была разработана в Японии (MUSA - Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding), а другая - во Франции (HD-MAC). Суть сжатия спектра в этих системах состоит в том, что частотные составляющие, лежащие в верхней области спектра исходного ТВ сигнала, помещаются в промежутки между частотными составляющими, находящимися в средней части исходного спектра. В системе MUSA достигалось сжатие спектра исходного ТВЧ сигнала в 3 раза (до 8.1 МГц), а в системе HD-MAC - в 1.5 раза (до 11 МГц). В обеих системах использовалась последовательная передача сигналов яркости, цветности, звукового сопровождения и сигналов синхронизации.

Будущее развитие систем передачи видеосигналов связано с применением цифровых методов их обработки, дающих сокращение скорости цифрового потока, необходимого для передачи этих сигналов с высоким качеством. В большинстве этих методов используется ДИКМ. При этом осуществляется предсказание каждого элемента изображения на основе взвешенной комбинации предыдущих отсчетов, расположенных вблизи от него. В канал связи передается разность между предсказанным и истинным значением этого элемента. Эта разность незначительна вследствие высокой корреляции соседних элементов изображения, и для ее передачи в цифровой форме необходимо значительно меньшее количество битов, нежели это требуется для преобразования в цифровую форму его исходных отсчетов. Применяется также и субнайквистовое кодирование, когда отсчеты по вертикальной, горизонтальной и временной оси изображения передаются с частотой, меньшей, чем 1/2W, где W - полоса частот изображения. На приеме восстановление недостающих элементов осуществляется путем интерполяции.

В стандартах MPEG для сжатия сигналов изображения учитывается также то, что большая часть изменений изображения от кадра к кадру является следствием смещений малых областей изображения в предыдущем кадре. Определив для каждой области это смещение (вектор движения), можно существенно повысить точность предсказания элементов изображения и, в итоге, сократить избыточность передаваемого сигнала.

Использование ДИКМ позволяет сократить цифровой поток для цветного ТВ сигнала до 50-70 Мбит/с. Применение адаптивной ДИКМ с использованием межполевого и межкадрового предсказания позволяет сократить этот поток до 30 Мбит/с.

Использование алгоритмов компенсации движения и кодирования блоков элементов изображения с помощью косинус-преобразования или преобразования Адамара дает возможность сократить цифровой поток вещательного ТВ сигнала до 6 Мбит/с.

Этот цифровой поток путем применения многопозиционных сигналов (например, КАМ-16) можно передать в полосе частот 1.5-2 МГц, что позволяет в полосе частот стандартного канала наземного ТВ вещания разместить 4-5 цифровых ТВ программ.

Хронология
1934 год Установление тонкой структуры частотного спектра сигнала изображения (США - П. Мертц и Ф. Грей).
1950 год Открытие метода частотной синхронизации, позволяющего уплотнить спектр ТВ сигнала путем передачи сигналов на поднесущих, частота которых выбирается равной нечетно-кратной половине частоты строк (США - Р. Дом).
1957 год Экспериментальные исследования спектра мощности и функции корреляции ТВ сигнала (СССР - Н. Г. Дерюгин).
1958 год Исследования возможностей применения статистического кодирования ТВ сигналов (СССР - Д. С. Лебедев).
1984 год Разработка системы MUSE (Япония).
1986-1990 годы Разработка методов сокращения цифрового потока для ТВ сигналов (Япония, Франция, США, СССР, Германия, Италия и др.).
1988 год Разработка европейской системы HD-MAC.
1989 год Завершение начатой в 1988 году разработки международной группой экспертов стандарта MPEG-1 для сжатия ТВ сигнала и стандарта для сжатия сигнала звукового сопровождения (MUSICAM).
1991 год Разработка метода сокращения избыточности цифрового сигнала ТВЧ до 25 Мбит/с.
1994 год Разработка и широкое внедрение в современную технику цифрового ТВ вещания стандарта MPEG-2 - усовершенствованной версии ранее разработанного стандарта MPEG-1.
1998 год Разработка стандарта MPEG-4, дающего большее сжатие сигналов ТВ и звукового сопровождения, нежели стандарт MPEG-2.

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения автора.
От Офф-Топик
К Офф-Топик (20.06.2002 02:01:47)
Дата 20.06.2002 02:02:26

Ну и наконец телевидение




Вещание
Было время, когда дома не имели окон. Тем, кто не жил в пещерах и в палатке, трудно представить, что это такое. В наше время в течение жизни одного поколения в наиболее развитых странах каждый дом получил новое окно невероятной магической силы - телевизионный экран. То, что сначала казалось просто одним из роскошных излишеств, за исторически ничтожный срок стало жизненной потребностью.

Артур Кларк

Одно из наиболее значительных достижений человечества в XX столетии - создание и развитие систем звукового и телевизионного вещания. Эти системы играют огромную роль в жизни современного общества, давая возможность практически каждому человеку быть в курсе всех происходящих в мире событий и способствуя широкому распространению новейших достижений культуры и науки. По своему значению для человеческой цивилизации радиовещание имеет огромное значение, не меньшее, чем изобретение книгопечатания в XVI веке. Именно благодаря широкому распространению знаний с помощью печатных изданий за прошедшие столетия мир столь значительно изменился в культурном, образовательном и политическом отношении.

Русский историк Н. М. Карамзин так оценил роль книгопечатания: "История ума представляет две главные эпохи: изобретение букв и типографии, все другие были следствием".

Радиовещание открыло третью эпоху "истории ума". В XX столетии оно явилось мощным катализатором интеллектуального и политического развития человеческого сообщества. Несомненно, что в XXI веке его роль в жизни общества еще более возрастет.

Звуковое вещание
Первые опыты по передаче с помощью радио сигналов звукового (3В) вещания проводились еще в начале XX столетия. Они связаны с именами американских инженеров Фессендена и Ли де Фореста. В 20-х годах начинается интенсивное строительство радиовещательных (РВ) станций во многих странах мира. Первые РВ станции работали в диапазоне длинных волн и использовали амплитудную модуляцию. В системах AM вещания, которые и в настоящее время распространены весьма широко, звуковые сигналы передаются в полосе частот 5 кГц. Столь узкая полоса частот и взаимные помехи между многочисленными AM станциями, использующими один и тот же частотный канал, не позволяют обеспечить прием вещательных программ с высоким качеством.

Из-за интенсивного внедрения станций AM вещания сразу же возникла проблема устранения помех между разными станциями. Это могло быть достигнуто путем повышения стабильности частоты РВ станций, снижения уровней внеполосных излучений и улучшения избирательности приемников. До середины XX столетия инженеры интенсивно работали над решением этих проблем.

Для AM вещания в диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ в настоящее время выделено всего 135 частотных каналов, в которых общее число действующих в разных странах передатчиков составляет примерно 3000. Суммарная мощность этих передатчиков колоссальна и составляет около 50 МВт. Таким образом, насыщенность этих диапазонов частот работающими станциями AM вещания весьма велика.


Здание первой мощной радиовещательной станции ВЦСПС (1929 г.)
Для повышения эффективности использования радиочастотного спектра в сетях AM вещания английским ученым Т. Л. Эккерслеем в 1929 году было предложено создавать синхронные сети, в которых все передающие станции сети, обслуживающие определенную территорию, работают на одной частоте с весьма высокой стабильностью и передают одну и ту же программу. В таких сетях существенно снижаются необходимые защитные отношения для полезных сигналов в зоне обслуживания одной РВ станции, поэтому возможно в одном частотном канале организовать вещание на весьма значительной территории. Синхронные сети были созданы только в нескольких странах (Великобритании, Франции, Германии и Японии). Однако из-за того, что в большинстве стран вещательные станции являлись частными и передавали разные программы, синхронные сети широкого распространения не получили. В США их создание было запрещено антимонопольным законом.

В СССР, где распространение центральных вещательных программ на всей территории страны являлось важной государственной задачей, синхронные сети в диапазоне СЧ начали создаваться в 1950 году. Использование синхронных сетей позволяло применять в них маломощные передатчики и исключить в темное время суток нелинейные и частотные искажения в зонах интерференции земного и пространственного луча. Заметно повышалась также и надежность вещания.

Из-за быстрого увеличения количества работающих в эфире AM вещательных станций и роста взаимных помех качество приема сигналов было достаточно низким. Исследования Э. Г. Армстронга, выполненные в 1936 году, показали перспективность применения в сетях вещания ЧМ, так как в этих сетях обеспечивается значительно более высокое качество приема вещательных сигналов, нежели в сетях AM вещания, и более просто решаются вопросы обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС). В системах ЧМ вещания значительно (до 15 кГц) расширялась полоса частот передаваемых вещательных сигналов. С 40-х годов во всех странах в диапазоне метровых волн (ОВЧ) начинается создание сетей ЧМ вещания.

Повышение качества радиовещания всегда было и остается весьма важной задачей. Одним из путей ее решения было создание стереофонических систем, в которых, по сравнению с монофоническим воспроизведением звука, достигается большая естественность звучания музыкальных программ. В СССР первые опыты по созданию стереофонических систем воспроизведения музыкальных программ были проведены еще в 30-х годах под руководством профессора И. Е. Горона. В стереосистемах для передачи по каналу связи формируются сигналы в двух разнесенных в пространстве микрофонах - правом и левом (формирующих сигналы А и В). Необходимая полоса частот канала связи для этих систем значительно шире, нежели для AM вещания и поэтому организация стереовещания началась в сетях ОВЧ-ЧМ вещания.

В 50-х годах в разных странах было предложено более тридцати различных систем стереовещания. В эти годы в США, Японии, СССР и в других странах были проведены обширные экспериментальные исследования подобных систем. В Великобритании исследовались системы с импульсной модуляцией и временным разделением стереоканалов, в США некоторое время применялась система Кросби, в которой разностный сигнал (А-В) модулировал поднесущую по частоте. Однако в результате выполненных исследований в США в 1961 году была принята система, разработанная фирмами "Зенит" и "Дженерал Электрик". В этой системе на нижних частотах передавался суммарный сигнал правого и левого микрофона (А+В), а на поднесущей методом AM - разностный сигнал (А-В) стереопрограммы. Сама поднесущая подавлялась. Поэтому для ее восстановления на приеме передавался пилот-сигнал, частота которого (19 кГц) была в два раза ниже частоты поднесущей. Данная система получила широкое распространение во многих странах.

В СССР под руководством профессора Л. М. Кононовича была разработана и внедрена в 1963 году система с полярной модуляцией, изобретенной в 1939 году А. И. Косцовым. В этой системе частота поднесущей была выбрана равной 31.25 кГц. Ее положительные полупериоды модулируются сигналом А, а отрицательные - сигналом В. В 60-х годах в сетях ОВЧ-ЧМ вещания во многих странах начинает внедряться система стереофонического вещания. В СССР, США и Японии в 70-х годах для повышения качества передачи музыкальных программ разрабатываются аналоговые системы 4-канального стереовещания (квадрофония). Однако такие системы распространения не получили.

Совершенствование систем вещания в конце XX столетия идет по пути разработки цифровых систем, в которых может быть обеспечено весьма высокое качество воспроизведения речи и музыки. Цифровые РВ системы позволяют создавать сети вещания с высокой эффективностью использования радиочастотного спектра.

В конце 60-х годов цифровые методы передачи начинают внедряться на линиях распределения 3В программ. При этом применяется ИКМ, и монофонический сигнал 3В преобразуется в цифровой поток со скоростью, примерно равной 512 Кбит/с. Этот цифровой поток включает в себя как информационные, так избыточные символы, образуемые при применении кода БЧХ, исправлявшего информационные символы, принятые с ошибками. Применение метода почти мгновенного компандирования для сокращения избыточности сигналов 3В вещания позволяет сократить скорость цифрового потока до 320 Кбит/с. В 80-х годах для распределения программ 3В вещания по кабельным, аналоговым радиорелейным и спутниковым линиям связи используются цифровые методы передачи. Типовой являлась система объединения в один цифровой поток со скоростью 2 Мбит/с нескольких (до семи) стерео- и моновещательных программ 3В. Этот поток передается на поднесущей, модулируемой методом ОФМ или ДОФМ. Передача сигналов 3В вещания осуществляется в верхней части частотного спектра аналоговой системы передачи.

В конце 80-х годов в Германии и Японии в диапазоне 12 ГГц создаются спутниковые системы непосредственного 3В вещания с использованием цифровых методов передачи. В этих системах в полосе частот одного спутникового ствола передается общий цифровой поток со скоростью порядка 25 Мбит/с, в котором методом ВУ размещены цифровые потоки порядка пятидесяти моновещательных (или двадцати пяти стереовещательных) программ, передаваемых с качеством компакт-дисков. Передача этого потока осуществляется методом ОФМ или ДОФМ. В Европейском вещательном союзе (EBU) была разработана система MAC/packet. Система MAC была разработана для передачи ТВ сигналов методом ЧМ. Подробнее о ней будет сказано в следующем разделе. В системе MAC/packet площадь телевизионного кадра, обычно заполняемая видеосигналом, заменяется пакетами данных или цифровыми потоками программ 3В вещания.

В существующих наземных сетях 3В вещания невозможно передавать высокоскоростные цифровые потоки, так как они используют сравнительно узкополосные радиоканалы. В США и в европейских странах в 80-е годы ведутся разработки новых систем наземного цифрового 3В вещания. В СССР в начале 80-х годов в диапазоне 100 МГц была разработана и экспериментально испытана одна такая система. В этой системе для сокращения избыточности 3В сигналов применялась ИКМ с мгновенным компандированием, она позволяла передать на одной несущей методом ДОФМ пять стереопрограмм (или две моно- и четыре стереопрограммы) и занимала полосу 4 МГц.

В начале 90-х годов европейские страны объединяют свои усилия в разработке перспективной системы цифрового звукового вещания (DAB - Digital Audio Broadcasting), и в 1994 году эта разработка завершается. В ряде стран Европы, Азии и Америки в 1996 году началась опытная эксплуатация наземных сетей вещания стандарта DAB, в котором используется метод модуляции COFDM. В этой системе для устранения избыточности 3В сигналов используется метод MUSICAM. Ширина полосы частот, занимаемая одним частотным каналом, в этой системе составляет 1.5 МГц. Сети DAB по эффективности использования РЧС существенно превосходят сети ОВЧ-ЧМ вещания, поскольку, во-первых, в этих сетях упрощается обеспечение ЭМС между разными станциями, работающими в сети, а во-вторых, в этих сетях возможна реализация идеи создания синхронных одночастотных сетей, покрывающих значительные регионы страны. В одном канале системы DAB могут быть переданы до шести стереофонических программ с качеством компакт-дисков. За последние несколько лет опытные сети DAB созданы в большинстве европейских стран, а также в Канаде, Китае, Гонконге, Индии, Малайзии, Японии, Южной Африке и в некоторых других странах. В первом десятилетии XXI века в сетях вещания во многих странах будет осуществлен переход от аналоговых систем к цифровым.

Хронология
1906 год Первый опыт передачи речи и музыки по радио с помощью машин высокой частоты (Р. Фессенден).
1906-1910 годы Опыты передачи речи и музыки с помощью дуговых передатчиков (Ли де Форест).
1915 год Опыты по передаче речи и музыки с помощью ламповых передатчиков (Ли де Форест).
1920 год Начало AM звукового вещания в США.
1922 год Начало регулярного AM звукового вещания в Великобритании и Франции.
1923 год Начало регулярного AM звукового вещания в Германии.
1924 год Начало регулярного AM звукового вещания в СССР (М. А. Бонч-Бруевич, А. Л. Минц).
1929 год Предложение П. П. Эккерслея о синхронной работе вещательных передатчиков на средних волнах.
1930-1932 годы Исследования вопросов создания синхронных сетей 3В вещания (Великобритания - П. П. Эккерслей; США - К. Б. Айкен; Германия - Ф. Герц; СССР - К. М. Косиков).
1929-1930 год Создание синхронных сетей 3В вещания в Великобритании и Германии.
1931 год Опыты по 3В вещанию на метровых волнах (СССР - Б. А. Введенский).
1936 год Экспериментальные исследования системы 3В вещания с использованием ЧМ (США - Э. Г. Армстронг).
1941 год Начало вещания с использованием ЧМ (США).
1946 год Начало ЧМ радиовещания в СССР.
1955 год Опытная передача стереофонических программ по радио в СССР (Н. С. Куприянов).
1958 год Создание системы стереовещания, в которой разностный сигнал передавался на поднесущей частоте методом ЧМ (США - М. Дж. Кросби).
1959 год Разработка системы звукового стереофонического вещания с полярной модуляцией (СССР - Л. М. Кононов) и с пилот-тоном (США - Л. Кан).
1960 год Создание синхронных сетей 3В вещания в Японии.
1961 год Начало внедрения стереофонического ЧМ вещания в США.
1963 год Внедрение в эксплуатацию цифровых методов передачи 3В программ с использованием ИКМ по каналам связи (СССР).
1963 год Начало внедрения стереофонического ЧМ вещания в СССР.
1967-1980 годы Внедрение цифровых методов передачи с помощью ИКМ сигналов вещания по спутниковым трактам распределения 3В программ, а также передача программ 3В вещания и полос газет в системе "Орбита-РВ" (СССР - О. С. Тихонов, Г. В. Рабинович, Е. Я. Чеховский, Л. Я. Кантор).
1970-1980 годы Исследования и внедрение синхронного вещания в СССР (А. А. Пирогов, Н. М. Санкин, Г. Я. Тимофеева, С. С. Гейнце).
1970-1976 годы Разработка квадрафонических аналоговых систем вещания (США, Япония, СССР).
1982-1984 годы Разработка и экспериментальные исследования системы наземного цифрового вещания в СССР (М. У. Банк, В. М. Колесников, Ю. Б. Окунев, Л. М. Финк, М. Я. Лесман).
1985-1989 годы Разработка и внедрение системы DSR непосредственного цифрового спутникового звукового вещания и передачи данных (Германия).
1988 год Разработка многоканальной системы DSR (Япония).
1994 год Завершены разработки европейской системы DAB для наземного и для непосредственного спутникового цифрового звукового вещания.
1996 год Создание в ряде европейских стран опытных сетей наземного вещания по стандарту DAB.

Телевизионное вещание
Зарождение электронных систем телевизионного вещания относится к 1907 году и связано с именем русского ученого Б. Л. Розинга, который предложил использовать для преобразования изображения в электрический сигнал трубку Брауна и последовательную электрическую развертку. В XX веке произошел огромный прогресс в создании техники и сетей ТВ вещания. Этот прогресс обусловлен самоотверженным трудом нескольких поколений ученых и инженеров многих стран. Значительный вклад в создание ТВ систем внесли специалисты США, Германии, России, Франции, Японии, Венгрии, Польши и др.

До начала 30-х годов разрабатывались в основном механические ТВ системы, в которых формирование электронного сигнала изображения осуществлялось с помощью диска Нипкова, изобретенного в 1884 году и осуществлявшего разложение передаваемого изображения на последовательные элементы. Одна из таких систем ТВ вещания была создана в СССР в 1929 году под руководством В. И. Архангельского в лаборатории одного из крупнейших советских ученых в области телевидения П. В. Шмакова. В этой системе использовались параметры развертки 30 строк и 12.5 кадр/с. В ней ТВ сигнал занимал полосу частот, равную всего 7.5 кГц, и передавался по радиоканалу на частоте I МГц, а звуковое сопровождение - на частоте 500 кГц. В 20-х годах в США, СССР, Франции, Германии и других странах разрабатываются передающие телевизионные трубки и появляется возможность создания полностью электронных ТВ систем. Опытные полностью электронные ТВ системы впервые создаются в 1930 году в США и Германии. В СССР создание ТВ центров и первые опытные передачи ТВ вещания в Москве (343 строки) и Ленинграде (240 строк) начались в 1937 году. Необходимая ширина полосы частот радиоканала для такой передачи составляла примерно 1.5 МГц.

Современные стандарты на системы черно-белого ТВ вещания в разных странах создаются в 40-х годах. Для развития сетей ТВ вещания был выделен диапазон метровых и дециметровых волн.

В СССР внедрение таких систем начинается в 1948 году с реконструкции Московского ТВ центра на используемый и сегодня стандарт 625 строк, 25 кадр/с и 50 полей/с (полоса частот радиоканала составляет 6.5 МГц). Он был принят в 1952-1953 годах в качестве международного стандарта многими странами Европы, а также Австралией.

Появления первых идей создания систем передачи по каналам электросвязи цветного изображения относится к началу XX века. В 1900 году русский ученый А. А. Полумордвинов на основе трехкомпонентной теории цветовосприятия создал первый проект механической ТВ системы с последовательной передачей цветов. В 1908 году другой русский ученый И. А. Адамян предложил проект двухцветной механической ТВ системы с одновременной передачей цветов.

Современные системы цветного ТВ вещания стандартов NTSC, PAL и SECAM были разработаны в 50-60-х годах XX века, а в 1966 году на международной конференции МЭС в Осло было рекомендовано их применение. В европейских странах ширина полосы частот, выделенная для передачи ТВ сигнала, составляет 8 МГц. В СССР на сети ТВ вещания с 1967 года начинает внедряться система цветного ТВ стандарта SECAM.


Сравнительная высота ряда высотных сооружений и телевизионных башен мира: башня Шухова (Москва); небоскреб "Эмпайр стейт билдинг" (Нью-Йорк); Московский государственный университет; Эйфелевая башня (Париж); телевизионная башня в Штутгарте (Германия); башня Московского телецентра

Все страны испытывают дефицит частотных каналов для организации наземной сети ТВ вещания. Повысить эффективность использования РЧС можно, увеличив зону обслуживания одним ТВ передатчиком. Для этого его следует разместить на большой высоте над поверхностью Земли. В 1937 году известный советский специалист в области телевидения профессор П. В. Шмаков предложил использовать ТВ передатчики, установленные на борту самолета, для организации ТВ вещания на большую территорию. Однако в те годы эта идея не была реализована.

К идее применения летательных аппаратов для трансляции ТВ сигналов ученые возвращались в 70-х и в конце 90-х годов. В России в 1978 году в Научно-исследовательском институте радио был разработан проект организации ТВ вещания с использованием дирижаблей. В начале 70-х годов в некоторых странах (Турция, США) идея самолетной ретрансляции нашла свое воплощение, так как таким образом оказалось экономически наиболее выгодным организовать ТВ вещание общеобразовательных программ. Хотя идея использования летательных аппаратов в ТВ вещании широкого развития не получила, в конце XX века на ее основе был разработан грандиозный проект "Sky Station", о котором будет рассказано ниже. По этому проекту в начале XXI столетия должна быть создана глобальная система фиксированной связи, услугами которой смогут пользоваться около одного миллиарда абонентов.

На другой метод повышения эффективности использования РЧС, названный смещением несущих частот (СНЧ), в 1956 году указал американский инженер В. Беренд. Метод СНЧ основывается на том, что спектр ТВ сигнала имеет линейчатую структуру. Поэтому сдвиг несущих соседних станций, работающих в одном и том же частотном канале, на частоту, нечетно-кратную половине кадровой или строчной частоты, при высокой стабильности несущей частоты передатчиков позволяет обеспечить условия, при которых защитные отношения сигнал/помеха для этих станций могут быть существенно снижены. Это в свою очередь позволяет уменьшить необходимый территориальный разнос между ТВ станциями.

С 1967 года начинают создаваться спутниковые системы ТВ вещания. В СССР создается первая в мире система "Орбита", позволившая осуществлять подачу центральных ТВ программ в отдаленные районы нашей страны. Сеть станций "Орбита" дала возможность охватить ТВ вещанием практически всю огромную территорию СССР. С этого времени системы спутникового ТВ вещания получают широкое развитие во всем мире.


Земная передающая станция сети "Орбита"
В системах спутникового ТВ вещания до 90-х годов для передачи сигналов применялась ЧМ. При этом передача звукового сопровождения на ЧМ поднесущей, как это принято в системах наземного ТВ вещания, оказалась затруднительной из-за низкой помехоустойчивости приема сигналов звукового сопровождения. Поэтому был разработан ряд других методов, использующих интервалы строчных гасящих импульсов ТВ сигнала для передачи звуковых сигналов. При этом использовалась ШИМ либо цифровые методы передачи. В СССР соответствующие теоретические исследования и разработки были выполнены в 60-80-х годах учеными С. И. Катаевым, Ю. Б. Зубаревым, В. М. Цирлиным, Л. А. Севальневым и В. Т. Хоробрых. Позже сигналы звукового сопровождения передавались на ЧМ поднесущей, а для повышения помехоустойчивости их приема применялось компандирование.

В 80-х годах создаются сети спутникового вещания "Москва" и "Москва-Глобальная" с повышенной энергетикой спутникового ретранслятора и с дисперсией несущей. Первая из этих систем обеспечивала прием российских ТВ программ на территории СССР, а вторая - их прием во многих странах мира.

Первый проект системы непосредственного спутникового вещания в диапазоне 12 ГГц был разработан в 1971 году в Европейском вещательном союзе.

В СССР в диапазоне 800 МГц в 1976 году была создана первая система непосредственного спутникового ТВ вещания "Экран", действующая до сих пор и обеспечивающая прием одной программы центрального ТВ на территории Сибири и Дальнего Востока. В 1979 году, когда прогресс в создании малошумящих усилителей позволил создавать приемные станции со сравнительно небольшим диаметром антенн, началась разработка систем непосредственного спутникового ТВ вещания в диапазоне частот 12 ГГц. Были созданы несколько таких систем: ANIK (Канада - 1982 г.), BS-2 (Япония - 1984 г.), TV SAT (Германия и Франция - 1987 г.). В России современная цифровая система непосредственного спутникового вещания (НТВ-Плюс), которая обеспечивает трансляцию до сорока ТВ программ, была создана в 1997 году.

В период с 1978 по 1987 год в Японии, США и Европе разрабатываются системы телевидения высокой четкости (ТВЧ). Параметры развертки изображения этих систем приняты соответственно следующими: 1125/60, 1050/60 и 1125/50 (здесь в числителе указано число строк в кадре, а в знаменателе - частота кадров в секунду). Полоса частот, необходимая для передачи сигналов полного ТВЧ в аналоговом канале связи, составляет примерно 20 МГц. Сети наземного ТВ вещания работают в диапазоне радиоволн ниже 1 ГГц, в котором столь широкополосные каналы не могут быть выделены. Поэтому вещание ТВЧ в этом диапазоне частот возможно только при использовании методов сжатия спектра ТВ сигнала, позволяющих уменьшить необходимую полосу частот в 5-6 раз. В современных системах для этого применяется стандарт MPEG-2.

В результате проведенных в Японии в 1984 году разработок создается аналоговая система ТВЧ MUSE, в которой видеосигнал занимает полосу частот 8.1 МГц. Такой сигнал может быть передан методом ЧМ в радиоканале с полосой 21-24 МГц. Данная система используется Японией для спутникового ТВЧ вещания на своей территории с 1989 года.

Передача по спутниковым каналам связи ТВ сигналов стандартов NTSC, PAL и SECAM с необходимой помехоустойчивостью требует значительной энергетики линии связи. Для ее снижения в 1986 году в ряде стран создается семейство систем MAC

(Multiplexed Analog Component) с повышенной помехоустойчивостью приема ТВ сигналов. Видеосигнал в этих системах формируется путем временного сжатия сигналов яркости и цветности. При этом во время передачи одного поля ТВ сигнала последовательно во времени передаются сжатые сигнал яркости и один из сигналов цветности (в соседних полях передаются разные сигналы цветности), а также в цифровом виде - сигналы синхронизации, звукового сопровождения и данных. Для передачи по радиоканалу сформированного сигнала применяется ЧМ. Такие системы несколько лет находились в эксплуатации. Однако в 90-х годах произошел стремительный переход к более совершенным цифровым системам передачи ТВ сигналов, разработка которых была завершена во второй половине 90-х годов, и они начали внедряться в США и в ряде стран Европы.

В 1988 году во Франции создается европейская система ТВЧ HD-MAC (High Definition MAC). Видеосигнал этой системы занимает полосу частот 10.1 МГц. Этот сигнал методом ЧМ передается по спутниковому стволу с полосой 27 МГц.

Наряду с совершенствованием обычных систем ТВ вещания в последнем десятилетии XX века продолжаются разработки систем стереотелевидения, которые, как показали эксперименты, усиливают эмоциональное воздействие телепрограмм на зрителей. Кроме того, стереосистемы находят применение в промышленности, используются для исследовательских и учебных целей. В 1950 году состоялась первая опытная демонстрация такой системы, разработанной под руководством профессора П. В. Шмакова. Результаты этой разработки отражены как вклад СССР в Отчетах Исследовательских комиссий МСЭ. В 1979 году в Ленинграде проводилось опытное стереотелевизионное вещание.

Подобные работы шли в последующие годы в США, Японии, Франции, Германии, Австралии и других странах. С начала 80-х годов в ряде городов США и Германии началось опытное стереотелевизионное вещание. В 1989 году в Японии была создана и испытана новая опытная система стереотелевидения с использованием оборудования ТВЧ. Основными препятствиями для внедрения подобных систем в коммерческую эксплуатацию являются сложность оборудования и, что более важно, расширение полосы частот канала связи, необходимой для передачи сигналов. Несомненно, что эти препятствия будут преодолены, и стереотелевидение войдет в быт людей XXI века.

В 1994 году создаются европейские стандарты DVB (Digital Video Broadcasting) цифрового ТВ, определяющие способы передачи информационного цифрового потока по разным каналам связи (наземным радио и кабельным, спутниковым и т. д.). Для формирования информационного цифрового потока и сокращения избыточности ТВ сигнала используется стандарт MPEG-2, что позволяет в радиоканале с шириной полосы частот в 8 МГц передать, в зависимости от требуемого качества приема, 4-6 обычных ТВ программ либо одну программу ТВЧ. С созданием цифровых систем вещания понятие специализированной сети вещания утрачивает свой смысл, так как эти сети пригодны для распространения не только вещательных программ, но и любой другой циркулярной цифровой информации. Начиная с 1996 года в ряде стран мира начинают организовываться опытные сети цифрового ТВ вещания. В первом десятилетии XXI века цифровое вещание повсеместно заменит аналоговое вещание.

Хронология
1900 год Первый проект механической ТВ системы с последовательной передачей цветов (Россия - А. А. Полумордвинов).
1907 год Изобретение системы воспроизведения изображения с помощью электронно-лучевой трубки Брауна и последовательной электрической развертки (Россия - Л. Б. Розинг).
1908 год Проект двухцветной механической ТВ системы с одновременной передачей цветов (Россия - И. А. Адамян).
1925 год Опытные передачи изображений с помощью систем механического типа (США - Ч. Ф. Дженкис; Великобритания - Д. Л. Бэрд).
1930 год Опытные передачи изображения с помощью систем электронного типа (США - Ф. Т. Фарнсуорт; Германия - М. Арденне).
1931 год Начало регулярного ТВ вещания на частоте 60 МГц с помощью системы механического типа в СССР.
1936-1938 годы Начало внедрения электронного ТВ вещания (США, СССР, Великобритания и Германия).
1937 год Предложение использовать радиостанции, установленные на борту самолета, для ТВ вещания (СССР - П. В. Шмаков).
1938 год Опытные передачи цветных изображений с помощью механической системы передачи ТВ сигналов (Великобритания - Д. Л. Бэрд).
1940 год Опытные передачи цветных изображений с помощью электронной системы передачи ТВ сигналов с поочередной передачей цветов (США - П. Голдмарк).
1941 год Начало черно-белого ТВ вещания с использованием ОБП (США).
1944 год Разработка стандарта черно-белого ТВ вещания на 625 строк и 25 кадр/с (СССР - И. С. Джигит, С. В. Новаковский, С. И. Катаев, П. В. Шмаков, Ю. И. Казначеев и др.).
1948 год Начало в СССР ТВ вещания по стандарту 625 строк и 25 кадр/с.
1950 год Демонстрация опытной установки стереоскопического телевидения (СССР - П. В. Шмаков).
1953 год Разработка и внедрение системы NTSC цветного ТВ (США - В. Хьюз).
1956 год Предложение о применении СНЧ для повышения эффективности использования РЧС (США - В. Беренд).
1959 год Разработка системы SECAM цветного ТВ (Франция - А. де Франс).
1962 год Разработка системы PAL цветного ТВ (ФРГ - В. Брух).
1962 год Передача ТВ сигналов через искусственный спутник Земли "Телстар" (США).
1965 год Передача сигналов ТВ и многоканальной телефонии через спутник "Молния" (СССР).
1967 год Внедрение в СССР цветного ТВ вещания по системе SECAM.
1967 год Создание в России первой в мире системы спутникового вещания "Орбита" (СССР - Н. В. Талызин, Л. Я. Кантор, М. З. Цейтлин).
1971 год Первый проект системы непосредственного ТВ вещания с использованием ИСЗ в диапазоне 12 ГГц (EBU - Европа - Г. Хансен).
1974-1987 годы Разработка системы ТВЧ в Японии, США и Европе.
1973 год Создание систем ТВ вещания с использованием оборудования, размещенного на борту самолета (США, Турция).
1976 год Создание в России системы непосредственного спутникового ТВ вещания "Экран" в диапазоне 800 МГц (СССР - А. Д. Фортушенко, В. А. Шамшин, М. В. Бродский, И. С. Цирлин, С. В. Бородин).
1978 год Разработка проекта системы ТВ вещания с использованием дирижаблей (СССР - М. Г. Локшин, В. А. Быховский).
1979 год Опытное стереотелевизионное вещание в Ленинграде (СССР - П. В. Шмаков, В. Е. Джакония).
1980-1982 годы Опытное стереотелевизионное вещание в США и Германии.
1980 год Создание системы спутникового вещания "Москва" с дисперсией несущей (СССР - Л. Я. Кантор, А. В. Соколов, Э. И. Кумыш, Б. А. Локшин).
1986 год Разработка семейства систем MAC для передачи ТВ сигналов по спутниковым каналам связи (США, Канада, Франция, Великобритания).
1986 год Экспериментальное спутниковое ТВЧ вещание с использованием системы MUSA (Япония).
1987 год Принятие Рекомендаций МСЭ по двум вещательным стандартам ТВЧ (1125/60, 1250/50, 16: 9).
1989 год Введение в эксплуатацию системы спутникового вещания "Москва-Глобальная", обеспечивающей прием российских ТВ программ на территории многих стран (СССР).
1989 год Начало регулярных экспериментальных передач ТВЧ (Япония).
1989 год Создание опытной системы стереотелевидения с использованием оборудования ТВЧ (Япония).
1990 год Принятие Рекомендации МСЭ по единому студийному стандарту ТВЧ.
1994 год Создание европейского стандарта цифрового ТВ вещания (DVB).
1996 год Начало цифрового ТВ вещания через спутник системы Eutelsat на основе применения стандартов DVB и MPEG-2.
1996 год Создание опытных наземных сетей цифрового ТВ вещания в ряде стран Европы, Америки и Азии.
1997 год Создание в России системы непосредственного спутникого вещания (НТВ-Плюс) в диапазоне 11, 7-12, 5 ГГц (Россия - Л. Я. Кантор, Б. А. Локшин и др.).
1998 год Начало внедрения наземного цифрового ТВ вещания в США.

Этапы развития сетей звукового и телевизионного вещания
В XX столетии выполнена грандиозная работа по созданию и внедрению систем звукового и ТВ вещания. Значительная часть населения Земли из радио- и телевизионных передач черпают сведения обо всех происходящих в мире событиях, знакомятся с достижениями науки и культуры человеческой цивилизации. Радио и телевидение оказывают огромное влияние на политические и социальные процессы в человеческом обществе, формируя единое информационное пространство нашего мира, в котором рождаются ростки новой единой культуры человечества.

Первая вещательная станция в Питтсбурге (США) начала регулярную работу в ноябре 1920 года, в Великобритании и Франции - в 1922 году, а в Германии и СССР - в 1923 и в 1924 году. К концу 40-х годов сети вещания были развернуты во многих странах. К 1960 году в мире насчитывалось 50 миллионов приемников, а к началу 1973 года это число составляло уже 850 миллионов. К концу XX века количество радиоприемников у населения увеличилось до полутора миллиардов.

В развитии систем 3В вещания можно выделить следующие основные этапы.

Стремительное развитие начиная с 1920 года сетей AM вещания в диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ, что вызвало значительную перегрузку этих диапазонов и, следовательно, значительный уровень взаимных помех между разными вещательными сетями и низкое качество приема вещательных программ. Для повышения эффективности использования РЧС начиная с 30-х годов в некоторых странах создаются синхронные сети вещания. В СССР такие сети создаются в 70-х годах. Сети AM вещания в настоящее время имеют наибольшее число абонентов и продолжают развиваться, хотя, в связи с началом внедрения техники цифрового вещания, грядет коренное изменение подходов к развитию звукового вещания. Возможно, диапазоны НЧ, СЧ и ВЧ в будущем будут высвобождены от вещательных станций и станут использоваться для оперативной организации радиолиний передачи данных большой протяженности с незначительной пропускной способностью.
С конца 30-х годов в США, а затем, после Второй мировой войны, и в других странах мира, в диапазоне ОВЧ начинается внедрение сетей ЧМ вещания. В этих сетях было улучшено качество приема вещательных программ за счет значительного расширения полосы частот передаваемых сигналов и повышения помехоустойчивости приема.
В начале 60-х годов в сетях ОВЧ-ЧМ вещания начинается внедрение стереовещания, заметно улучшающего естественность и качество звучания музыкальных программ. Разработки в этом направлении продолжаются вплоть до 80-х годов. Однако созданные в этот период квадрафонические системы в коммерческую эксплуатацию внедрены не были.
В последнем десятилетии XX века завершается разработка и начинается опытная эксплуатация во многих странах мира сетей цифрового вещания в диапазоне ОВЧ. Применение современных методов устранения избыточности вещательных сигналов и принципов синхронного вещания позволяет создавать сети 3В вещания с весьма высокой эффективностью использования радиочастотного спектра. Помимо существенного улучшения качества вещания, абонентам этих сетей предоставляется весьма широкий спектр услуг, позволяющий им автоматически селектировать и запоминать интересующие их передачи для их воспроизведения в удобное время.
Опыты по передаче по радиоканалам ТВ сигналов начались в ряде стран примерно через десять лет после начала звукового вещания. Основные этапы развития ТВ вещания в мире состоят в следующем:

В 30-е годы выполняются многочисленные разработки вначале механических, а позже электронных систем передачи и приема ТВ сигналов. Первые ТВ системы имели малое число строк и занимали в эфире сравнительно небольшую полосу частот. В этот период в Великобритании и США выполняются также экспериментальные исследования и разработки механических и электронных систем цветного ТВ. До 1940 года только в крупнейших городах нескольких стран, в том числе в США и СССР, были созданы сети ТВ вещания.
После Второй мировой войны разрабатываются современные стандарты черно-белого ТВ вещания. Для передачи ТВ сигналов по радиоканалу применяется AM с частично подавленной нижней боковой частотой. В разных странах для передачи ТВ сигналов была выделена разная полоса частот радиоканала (равная 6, 7 и 8 МГц). В СССР, во многих странах Европы и в других регионах мира выбран стандарт 625/25, а полоса частот радиоканала в 8 МГц. В 50-е годы происходит интенсивное развитие наземных сетей ТВ вещания в диапазоне ОВЧ, а позже ультравысоких частот (УВЧ). В этот же период во многих странах ведутся весьма многочисленные разработки стандартов цветного ТВ вещания, и в конце 50-х - начале 60-х годов принимаются три мировых стандарта цветного ТВ вещания: NTSC, SECAM и PAL.
В начале 60-х годов начинается новая эра в развитии ТВ вещания на основе спутниковых систем. Во многих развитых странах (СССР, США и др.) создаются национальные спутниковые системы распределения ТВ программ с помощью спутниковых систем. На основе международной кооперации создаются глобальные системы Интелсат, Евросат и другие. Спутниковые системы позволяют организовать каналы подачи ТВ программ в удаленные регионы разных частей мира и приблизить территориальный охват населения ТВ вещанием к 100%. Практически во всех системах передача ТВ сигналов осуществляется с помощью ЧМ. Развитие таких систем происходит до конца 80-х годов.
С середины 70-х годов выполняются разработки систем MAC с последовательной передачей сигналов яркости и цветности, направленные на повышение помехоустойчивости приема аналоговых ТВ сигналов в спутниковых каналах связи с ЧМ. В это же время начинаются разработки систем ТВ высокой четкости. В Европе и Японии создаются аналоговые системы HD-MAC и MUSA, причем последняя система вводится в постоянную коммерческую эксплуатацию в 1989 году.
В конце 80-х годов на смену аналоговым системам приходят цифровые системы как наземного, так и спутникового ТВ вещания, в которых применяются эффективные методы сокращения избыточности и сложные методы кодирования и модуляции. Цифровые системы позволяют существенно повысить эффективность использования радиочастотного спектра и расширить предоставляемые абонентам услуги. В Европе создаются шесть совместимых стандартов на системы цифрового вещания по спутниковым и наземным радио- и кабельным каналам.
В 1971 году разрабатывается первый проект спутникового непосредственного ТВ вещания. Подобные системы создаются во многих странах. В СССР первая такая система "Экран" в диапазоне 800 МГц вводится в эксплуатацию в 1976 году, а в 1997 году в России создается современная система вещания НТВ-Плюс.
За прошедшие 50 лет произошел поразительный прогресс в развитии техники и в распространении ТВ вещания. В настоящее время в мире у населения имеется около 700 миллионов телевизоров, из которых около 70% принимают сигналы цветного ТВ.

В первом десятилетии XXI века произойдет быстрое внедрение сетей цифрового ТВ вещания. Этот процесс уже начался в США, где к 1998 году в 67 городах было построено 117 станций наземного цифрового ТВ вещания. Уже начата опытная эксплуатация наземных сетей цифрового вещания в некоторых европейских странах.

В XXI веке будут продолжаться разработки систем ТВЧ и стереотелевидения, направленные на повышение качества ТВ вещания. В Японии внедрение вещания ТВЧ началось десять лет назад, и сегодня в этой стране сеть спутникового ТВЧ вещания уже имеет около 100 тысяч абонентов.

Системы цифрового 3В и ТВ вещания, по существу, могут быть использованы для распространения любой циркулярной информации, а при организации обратного канала позволяют реализовать интерактивное вещание.

Известным российским ученым - профессором М. И. Кривошеевым, председателем одной из Исследовательских комиссий МСЭ, занимающейся проблемами ТВ вещания, был предложен новый подход к цифровому ТВ и звуковому вещанию как к наиболее эффективному средству для создания системы массового многоцелевого информационного обслуживания. Эта система должна представлять собой единую систему циркулярной связи, в которой будет передаваться интегрированный транспортный поток, образованный составляющими сигналов изображения и звука, телематическими и мультимедийными данными. При этом ее пользователям по их требованию будет предоставляться любая интересующая их информация, будь то вещательная программа, информация из определенных банков данных, сообщения телетекста, доступ к сети Интернет и т. п.

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения автора.