Журнал "Компьютерра" N738

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