Заслуга в объяснении неожиданного для инженеров того времени явления принадлежит Уильяму Томпсону, лорду Кельвину (собственно, титул лорда он и получил за разработку теории передачи сигналов по длинным линиям). Сейчас бы мы выразили это несколькими словами: любая проводная линия есть фильтр низкой частоты. Что сие означает? Два параллельных провода образуют конденсатор, и, кроме того, они обладают собственным сопротивлением. Конденсатор через сопротивление заряжается конечное время — тем большее, чем больше сопротивление и чем больше емкость конденсатора. В результате низкочастотные сигналы проходят почти без изменений (конденсатор успевает и зарядиться, и разрядиться), а высокочастотные — пропадают по дороге. Когда Томпсон-Кельвин это выяснил, стал очевидным и путь усовершенствования линии передачи: увеличить расстояние между "жилами", сделав сам кабель толще (тем самым снизив емкость конденсатора) и из проводников большего диаметра (уменьшив их сопротивление). Потому во второй трансатлантической линии, проложенной в 1865 году, неожиданностей уже не наблюдалось, и одна из ее ниток без особых проблем проработала сорок лет.
Но ясно, что утолщать кабель можно только до определенных пределов. Развитие телефонии потребовало передавать сигналы с частотами до нескольких килогерц (обычная речь вполне укладывается в диапазон 300-3400 Гц), и простые кабели, где вторым проводом служит морская вода, для этой цели решительно не годились. В конце XIX века Оливер Хевисайд, гениальный и во многом недооцененный современниками английский физик, вывел уравнения, из которых следовал неожиданный вывод: чтобы высокочастотные сигналы затухали меньше, надо увеличивать еще одну характеристику проводной линии — индуктивность.
Хевисайда и его последователя, американского инженера Михаила Пупина (серба по происхождению) подняли на смех. На первый взгляд это выглядело, как если бы для улучшения скоростных качеств спортсмена предложили связать ему ноги. Дело в том, что индуктивность, которой, как показал еще Майкл Фарадей, обладает абсолютно любой проводник, вместе с его сопротивлением создает такой же фильтр низкой частоты, как и емкость. И увеличение индуктивности, казалось бы, столь же нежелательно. Но это только на первый взгляд: на самом деле для токов высокой частоты емкость и индуктивность — взаимодополняющие параметры. И можно найти такое их соотношение, когда они компенсируют друг друга и потери на определенных частотах резко снижаются.
Собственно, это положение и лежит в основе конструкций современных длинных линий. Всем известные по телевизионным антеннам коаксиальные кабели обладают и еще одним достоинством: они теоретически невосприимчивы к помехам (и сами не создают, и в себя не пропускают). Потом нашли компромисс в виде гораздо более дешевых скрученных пар — два провода в скрутке (примерно один виток на сантиметр) при небольшой длине ведут себя похоже на коаксиальный кабель.
Волновое сопротивление
Многие, наверное, задумывались: а что означает такая часто указываемая характеристика соединительных кабелей или выходов-входов некоего устройства — 50 Ом, 75 Ом, 300 Ом? Это так называемое волновое сопротивление, которое зависит от используемого диэлектрика и геометрических соотношений между оплеткой и центральной жилой кабеля. Зачем его нужно знать? А вот зачем. Энергия источника сигнала будет использоваться с максимальной эффективностью, если сопротивления источника сигнала и приемника равны. В технике высоких частот мы не в силах соорудить источник "бесконечной" мощности, каковым является, например, бытовая электросеть для включенных в нее приборов. Потому мощности (а значит, и сопротивления) источников и приемников приходится согласовывать, иначе не только дефицитная энергия сигнала будет расходоваться впустую, но и неизбежны такие явления, как переотражения сигналов внутри линии и увеличение влияния наводок. Отметим, что от одного лишь внешнего диаметра кабеля его волновое сопротивление не зависит — от размеров зависит только затухание сигнала. Есть 75-омные кабели диаметром 2 мм, а есть — 20 мм, в первом случае они будут работать без дополнительного усиления на несколько метров, во втором — на многие километры, но линия останется согласованной в обоих случаях.
Модемы и телефоны
Устройства под названием модемы придумали давным-давно, в 1930-х годах, когда еще ни о каких интернетах и речи не было. С появлением коаксиальных кабелей стало возможным передавать по одному кабелю сигнал с полосой в несколько мегагерц, а то и десятков мегагерц. В такую полосу влезет несколько тысяч телефонных каналов для передачи обычной речи. Метод их разделения был уже хорошо освоен в радиотехнике — надо просто передавать каждый звуковой канал в своем частотном диапазоне и выделять для каждого канала свою частоту — несущую, которая модулируется звуковым сигналом. Например, если несущая равна 12 кГц, то ее сумма с сигналом 300-3400 Гц (верхняя боковая частота) займет полосу от 12300 до 15400 Гц (возникает при этом и разностный сигнал — нижняя боковая частота, но ее можно попросту отфильтровать). Выбирая несущие с нужным шагом (с некоторым запасом — например, по 4 кГц), мы можем передать по кабелю с полосой 10 МГц около двух с половиной тысяч телефонных каналов. На приемном конце эти частоты разделяются и несущие отфильтровываются и демодулируются. Устройство, которое может работать и как модулятор для передачи в линию, и как демодулятор для приема из линии, получило название модулятора-демодулятора, или, сокращенно, модема.
Обычная — аналоговая — телефонная связь в многоквартирном доме организована иерархически. От абонента тянется та самая "лапша" (то есть всем знакомый тонкий двухжильный провод с промежутком между жилами, в который так удобно вбивать гвоздики) до распределительной коробки в подъезде. От коробки отходят уже многожильные кабели (обычно по десять пар), которые где-то в подвале объединяются в распределительном шкафу в магистральные кабели по одной-две тысячи пар, идущие непосредственно к АТС. Вплоть до АТС каждому абоненту присвоена своя индивидуальная пара проводов — ее-то обычно и подразумевают, когда говорят о "последней миле". Хитрости с частотным разделением каналов, использованием оптоволокна и прочими современными штучками начинаются только на уровне соединения АТС друг с другом. На каждого абонента в городе приходится в среднем два-четыре километра пар медных проводов, из которых не меньше 80-90% — провода "последней мили".
Когда встал вопрос о передаче данных через такую систему, то прежде всего ее надо было сделать совместимой с существовавшими телефонными стандартами. А стандарт, как мы знаем, гарантировал лишь передачу полосы частот от 300 Гц до 3,4 кГц. Передавать двоичные сигналы в привычном виде ("есть напряжение" — "нет напряжения") по такой системе очень трудно; можно показать, что скорость передачи составит максимум несколько сотен бод. Потому конструкторская мысль устремилась в сторону модемов — в самом деле, почему бы не передавать нули-единицы, например, двумя разными частотами, каждая из которых укладывалась бы в гарантированный диапазон? Определить частоту сигнала можно с гораздо большей достоверностью, нежели разделить уровни напряжения на конце линии с помехами и непредсказуемым затуханием.
Дай лапу…
Собственно, так и работали первые модемы коммутируемого доступа — дайлапа (от dial-up). Самый первый протокол передачи данных через модем под названием CCITT V.21[Протоколы, начинающиеся с буквы V, стандартизированы Международным Союзом связи (International Telecommunications Union, ITU), ранее носившим название Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (Comite Consultatif Internationale de Telegraphie et Telephonie, CCITT).] использовал амплитудную модуляцию, такую же, как при передаче телефонных разговоров по одному кабелю. Для надежного определения частоты этим способом требуется несколько периодов сигнала, потому стандартизированная протоколом V.21 скорость передачи составила всего 300 бит/с. Усложнением методов модуляции (фазовый, квадратурный) удалось довести скорость передачи до 2400 бит/с (протокол CCITT V.22bis).
Кроме усовершенствования методов модуляции, в протоколах стали использовать первый простейший прием сжатия данных, устраняя из передачи лишние биты. Дело в том, что с точки зрения компьютера модем представляет собой СОМ-порт, работающий по протоколу RS-232, в котором на передаваемый байт отводится 10 бит — к восьми составляющим собственно байт добавляются стартовый и стоповый. В протоколах V.22 и далее было предложено эти биты на стадии модуляции убирать, повысив таким образом скорость передачи на 20%.
Но главное, что с помощью упомянутых сложных методов модуляции удалось передавать более чем по одному биту в каждой посылке. Например, квадратурная модуляция в протоколе V.22bis позволяет передавать по четыре бита на каждую посылку модулированного сигнала (как говорят инженеры — "за одну модуляцию"), отчего при скорости модулированного сигнала всего шестьсот посылок в секунду (бод) скорость передачи данных составила 2400 бит/с.
