Введение
История телекоммуникаций началась с использования дымовых сигналов и барабанов в Африке, Азии и Америке. В 1790-х годах в Европе появились первые стационарные системы семафорной связи. Однако электрические системы телекоммуникаций начали возникать лишь в 1830-х годах. В этой статье подробно рассматривается история телекоммуникаций и вклад людей, благодаря которым телекоммуникационные системы стали такими, какими мы знаем их сегодня. История телекоммуникаций – важная часть более широкой истории развития средств связи.
The history of telecommunication began with the use of smoke signals and drums in Africa, Asia, and the Americas. In the 1790s, the first fixed semaphore systems emerged in Europe. However, it was not until the 1830s that electrical telecommunication systems started to appear. This article details the history of telecommunication and the individuals who helped make telecommunication systems what they are today. The history of telecommunication is an important part of the larger history of communication.
Древние системы и оптическая телеграфия
Ранние средства связи включали дымовые сигналы и барабаны. Говорящие барабаны использовались коренными народами Африки, а дымовые сигналы — в Северной Америке и Китае. Эти системы часто применялись не только для оповещения о присутствии военного лагеря. В раввинистическом иудаизме сигнал подавался посредством платков или флагов на обратном пути к первосвященнику, чтобы указать, что козёл «для Азазела» был столкнут со скалы. Почтовых голубей время от времени использовали в истории различные культуры. Голубиная почта имеет персидские корни и позже использовалась римлянами для поддержки их армии. Греческие гидравлические семафоры применялись уже в IV веке до н.э. Гидравлические семафоры, работавшие с сосудами, заполненными водой, и визуальными сигналами, функционировали как оптические телеграфы. Однако они могли использовать лишь очень ограниченный набор заранее определенных сообщений, и, как и все подобные оптические телеграфы, могли быть развернуты только при хорошей видимости. В Средние века цепочки маяков обычно использовались на вершинах холмов для ретрансляции сигнала. Недостатком маячных цепочек было то, что они могли передавать только один бит информации, поэтому значение сообщения, например, «враг замечен», должно было быть согласовано заранее. Примером их использования послужила Испанская армада, когда маячная цепочка передала сигнал из Плимута в Лондон, оповещающий о прибытии испанских военных кораблей. В 1774 году швейцарский физик Жорж Лесаж построил электростатический телеграф, состоящий из набора из 24 проводящих проводов длиной в несколько метров, соединенных с 24 деревянными шарами, подвешенными на шелковой нити (каждый провод соответствует букве). Электризация провода с помощью электростатического генератора заставляла соответствующий шар отклоняться и обозначать букву оператору, расположенному в конце линии. Последовательность выбранных букв приводила к написанию и передаче сообщения. Французский инженер Клод Шапп начал работу над визуальной телеграфией в 1790 году, используя пары «часов», стрелки которых указывали на различные символы. Они оказались недостаточно эффективными на больших расстояниях, и Шапп пересмотрел свою модель, чтобы использовать два набора соединенных деревянных балок. Операторы перемещали балки с помощью кривошипов и проводов. Он построил свою первую телеграфную линию между Лиллем и Парижем, а затем линию из Страсбурга в Париж. В 1794 году шведский инженер Абрахам Эделькранц построил совершенно другую систему от Стокгольма до Дроттнингхольма. В отличие от системы Шаппа, которая включала вращающиеся деревянные балки, система Эделькранца полагалась только на ставни и поэтому была быстрее. Однако семафор как система связи страдал от необходимости в квалифицированных операторах и дорогих башнях, часто расположенных на расстоянии всего от десяти до тридцати километров (от шести до девятнадцати миль). В результате последняя коммерческая линия была закрыта в 1880 году.
Электрический телеграф
Эксперименты по связи с помощью электричества, первоначально не увенчавшиеся успехом, начались примерно в 1726 году. В исследованиях участвовали ученые Лаплас, Ампер и Гаус. Ранним экспериментом в области электрической телеграфии был «электрохимический» телеграф, созданный немецким врачом, анатомом и изобретателем Самуэлем Томасом фон Зёммерингом в 1809 году, основанный на более раннем, менее надежном проекте 1804 года испанского ученого-эрудита Франсиско Сальва Кампильо. Основным недостатком системы была ее непомерная стоимость, обусловленная необходимостью изготовления и прокладки множества проводных цепей, в отличие от одного провода (с заземлением), используемого в более поздних телеграфах. Первый рабочий телеграф был построен Фрэнсисом Рональдсом в 1816 году и использовал статическое электричество. Чарльз Уитстон и Уильям Фотэргилл Кук запатентовали систему из пяти игл и шести проводов, которая начала коммерческое использование в 1838 году. Она использовала отклонение игл для передачи сообщений и начала функционировать на участке протяженностью двадцать один километр (тринадцать миль) Великой Западной железной дороги 9 апреля 1839 года. Уитстон и Кук рассматривали свое устройство как «улучшение [существующего] электромагнитного телеграфа», а не как принципиально новое. На другом берегу Атлантического океана Сэмюэль Морзе разработал версию электрического телеграфа, которую он продемонстрировал 2 сентября 1837 года. Альфред Вейл увидел эту демонстрацию и присоединился к Морзе для разработки регистрирующего аппарата — телеграфного терминала, включавшего в себя устройство для записи сообщений на бумажную ленту. Это было успешно продемонстрировано на расстоянии трех миль (пять километров) 6 января 1838 года, а затем на расстоянии сорока миль (шестьдесят четыре километра) между Вашингтоном и Балтимором 24 мая 1844 года. Запатентованное изобретение оказалось прибыльным, и к 1851 году телеграфные линии в Соединенных Штатах охватывали более… Наиболее важным техническим вкладом Морзе в развитие телеграфа стал простой и высокоэффективный код Морзе, разработанный совместно с Вейлом, который стал значительным шагом вперед по сравнению со сложной и дорогой системой Уитстона и требовал всего двух проводов. Эффективность передачи информации в коде Морзе опередила эффективность кода Хаффмана в цифровой связи более чем на 100 лет, однако Морзе и Вейл разработали код исключительно эмпирическим путем, используя более короткие коды для наиболее часто встречающихся букв. Подводный кабель через Английский канал, покрытый гуттаперчей, был проложен в 1851 году. Трансатлантические кабели, установленные в 1857 и 1858 годах, проработали всего несколько дней или недель (передали приветственные сообщения между Джеймсом Бьюкененом и королевой Викторией), прежде чем выйти из строя. Проект по прокладке запасной линии был отложен на пять лет из-за Гражданской войны в США. Первый успешный трансатлантический телеграфный кабель был завершен 27 июля 1866 года, что впервые позволило обеспечить непрерывную трансатлантическую телекоммуникацию.
Телефон
Электрический телефон был изобретен в 1870-х годах на основе более ранних разработок в области гармонических (многосигнальных) телеграфов. Первые коммерческие телефонные услуги были запущены в 1878 и 1879 годах по обе стороны Атлантики – в городах Нью-Хейвен, штат Коннектикут (США) и Лондон (Великобритания). Александр Грэм Белл владел основным патентом на телефон, необходимым для предоставления таких услуг в обеих странах. Все остальные патенты на устройства и функции электрических телефонов были производными от этого основного патента. Авторство изобретения электрического телефона часто оспаривалось, и время от времени возникают новые споры по этому вопросу. Как и в случае с другими великими изобретениями, такими как радио, телевидение, лампочка и цифровой компьютер, над передачей голоса по проводу работали несколько пионеров, которые совершенствовали идеи друг друга. Однако ключевыми новаторами были Александр Грэм Белл и Гардинер Грин Хаббард, создавшие первую телефонную компанию Bell Telephone Company в Соединенных Штатах, которая впоследствии превратилась в American Telephone & Telegraph (AT&T) – в определенные периоды крупнейшую в мире телефонную компанию. После появления первых коммерческих услуг телефонные технологии быстро развивались: к середине 1880-х годов были построены междугородние линии и установлены телефонные станции во всех крупных городах Соединенных Штатов. Первый трансконтинентальный телефонный звонок состоялся 25 января 1915 года. Тем не менее, трансатлантическая голосовая связь оставалась недоступной для абонентов до 7 января 1927 года, когда соединение было установлено по радио. Кабельное соединение появилось только 25 сентября 1956 года с запуском TAT 1, обеспечившего 36 телефонных каналов. В 1880 году Белл и его соизобретатель Чарльз Самнер Тейтер провели первый в мире беспроводной телефонный звонок, используя модулированные световые лучи, проецируемые фотофонами. Научные принципы их изобретения не нашли применения в течение нескольких десятилетий, пока не были использованы в военных и волоконно-оптических системах связи. Первый трансатлантический телефонный кабель (включавший в себя сотни электронных усилителей) был введен в эксплуатацию в 1956 году, всего за шесть лет до запуска в космос первого коммерческого телекоммуникационного спутника Telstar.
Радио и телевидение
Начиная с 1894 года, итальянский изобретатель Гульельмо Маркони работал над адаптацией недавно открытого явления радиоволн для телекоммуникаций, создав первую систему беспроводной телеграфии, использующую их. В декабре 1901 года он установил беспроводную связь между Сент-Джонсом (Ньюфаундленд) и Полдху (Корнуолл, Англия), за что получил Нобелевскую премию по физике (которую он разделил с Карлом Брауном) в 1909 году. В 1900 году Реджинальд Фессенден смог беспроводным способом передать человеческий голос. Миллиметровые волны впервые были исследованы бенгальским физиком Джагадишем Чандрой Босом в период с 1894 по 1896 год, когда он достиг чрезвычайно высокой частоты до 60 ГГц в своих экспериментах. Он также внедрил использование полупроводниковых переходов для обнаружения радиоволн, запатентовав радиокристаллический детектор в 1901 году. В 1924 году японский инженер Кендзиро Такаянагаи начал исследовательскую программу по электронному телевидению. В 1925 году он продемонстрировал телевизор на ЭЛТ (Электронно-лучевой трубке) с тепловой эмиссией электронов. В 1926 году он продемонстрировал телевизор на ЭЛТ с разрешением 40 линий – первый рабочий образец полностью электронного телевизионного приемника. В 1928 году он первым передал изображения человеческих лиц в полутонах на телевидении, что оказало влияние на последующие работы Владимира К. Зворикина. 25 марта 1925 года шотландский изобретатель Джон Логи Бэрд публично продемонстрировал передачу движущихся силуэтных изображений в лондонском универмаге Selfridge's. Система Бэрда основывалась на быстро вращающемся диске Нипкова, поэтому она стала известна как механическое телевидение. В октябре 1925 года Бэрд добился получения движущихся изображений с полутоновыми оттенками, которые, по мнению большинства, были первыми настоящими телевизионными изображениями. Это привело к публичной демонстрации улучшенного устройства 26 января 1926 года, вновь в Selfridges. Его изобретение легло в основу полуэкспериментальных трансляций, осуществляемых Британской вещательной корпорацией, начиная с 30 сентября 1929 года. На протяжении большей части XX века в телевизорах использовалась катодная трубка (ЭЛТ), изобретенная Карлом Брауном. Такой телевизор был создан Фило Фарнсвортом, который 7 сентября 1927 года продемонстрировал грубые силуэтные изображения своей семье в штате Айдахо. Устройство Фарнсворта конкурировало с параллельными разработками Калмана Тиханьи и Владимира Зворикина. Несмотря на то, что реализация устройства еще не соответствовала ожиданиям, Фарнсворт получил небольшую производственную компанию. В 1934 году он провел первую публичную демонстрацию телевидения в Институте Франклина в Филадельфии и открыл собственную вещательную станцию. Камера Зворикина, основанная на Radioskop Тиханьи, которая впоследствии стала известна как Iconoscope, получила поддержку влиятельной Radio Corporation of America (RCA). В Соединенных Штатах судебное разбирательство между Фарнсвортом и RCA завершилось в пользу Фарнсворта. Джон Логи Бэрд перешел от механического телевидения и стал пионером в области цветного телевидения с использованием ЭЛТ. Развитие технологии интеграции в больших масштабах (LSI) на основе металл-оксид-полупроводников (MOS), теории информации и сотовой связи привело к созданию доступных мобильных коммуникаций. К концу XX века телекоммуникационная отрасль быстро росла, главным образом благодаря внедрению цифровой обработки сигналов в беспроводную связь, что было обусловлено развитием недорогой сверхбольшой интеграции (VLSI) RF CMOS (радиочастотной комплементарной MOS) технологии.
Видеотелефония
Развитие видеотелефонии включало в себя историческое развитие нескольких технологий, которые позволили использовать видео в реальном времени в дополнение к голосовой телекоммуникации. Концепция видеотелефонии впервые получила распространение в конце 1870-х годов как в Соединенных Штатах, так и в Европе, хотя для проведения самых первых экспериментов потребовалось почти полвека развития базовых наук. Впервые это было реализовано в устройстве, известном как видеотелефон или видеофон, и развивалось благодаря интенсивным исследованиям и экспериментам в различных областях телекоммуникаций, в частности, в области электрической телеграфии, телефонии, радио и телевидения. Разработка ключевой видеотехнологии началась во второй половине 1920-х годов в Великобритании и Соединенных Штатах, чему способствовали, в частности, Джон Логи Бэрд и Bell Labs компании AT&T. Это было частично, по крайней мере, для AT&T, задумано как дополнение к использованию телефона. Многие организации считали, что видеотелефония превзойдет обычную голосовую связь. Однако видеотехнология была применена в аналоговом телевещании задолго до того, как стала практичной или популярной для видеофонов. Видеотелефония развивалась параллельно с традиционными голосовыми телефонными системами с середины до конца 20-го века. Только в конце 20-го века, с появлением мощных видеокодеков и высокоскоростного широкополосного доступа, она стала практичной технологией для регулярного использования. С быстрым развитием и распространением Интернета она получила широкое распространение благодаря использованию видеоконференций и веб-камер, которые часто используют интернет-телефонию, а также в бизнесе, где технология телеприсутствия помогла сократить необходимость в командировках. Практическая цифровая видеотелефония стала возможной только благодаря прогрессу в области сжатия видео, поскольку некомпрессированное видео требовало непрактично высокой пропускной способности. Для достижения качества видео, соответствующего разрешению Video Graphics Array (VGA) (480p и 256 цветов) при использовании необработанного некомпрессированного видео, потребуется пропускная способность более 92 Мбит/с.
Спутниковый
Первым спутником США, обеспечившим ретрансляцию сообщений, был проект SCORE в 1958 году, использовавший магнитофон для записи и пересылки голосовых сообщений. Он был использован для отправки рождественского поздравления всему миру от президента США Дуайта Эйзенхауэра. В 1960 году NASA запустила спутник Echo; 30-метровый (100 футов) шарик из алюминизированной полиэтилентерефталатной пленки служил пассивным отражателем для радиосвязи. Courier 1B, созданный компанией Philco и также запущенный в 1960 году, стал первым в мире активным спутником-ретранслятором. Сегодня спутники используются для множества приложений, таких как GPS, телевидение, интернет и телефонная связь. Telstar был первым коммерческим спутником связи, осуществлявшим активную прямую ретрансляцию. Принадлежавший компании AT&T в рамках многонационального соглашения между AT&T, Bell Telephone Laboratories, NASA, Британским генеральным почтовым отделением и Французской национальной PTT (Почтовым ведомством) для разработки спутниковой связи, он был запущен NASA с мыса Канаверал 10 июля 1962 года, став первым частным космическим запуском. Спутник Relay 1 был запущен 13 декабря 1962 года и стал первым спутником, осуществившим трансляцию через Тихий океан 22 ноября 1963 года. Первым и исторически наиболее важным применением спутников связи была межконтинентальная телефонная связь. Фиксированная общедоступная телефонная сеть передает телефонные звонки с проводных телефонов на наземную станцию, где они затем передаются на приемную спутниковую антенну через геостационарный спутник на орбите Земли. Улучшение подводных коммуникационных кабелей благодаря использованию оптоволокна привело к некоторому снижению использования спутников для фиксированной телефонной связи в конце 20-го века, но они по-прежнему обеспечивают связь исключительно для отдаленных островов, таких как остров Вознесения, Святой Елены, Диего-Гарсия и остров Пасхи, где нет подводных кабелей. Существуют также континенты и регионы стран, где проводная телефонная связь редка или отсутствует, например, Антарктида, а также обширные территории Австралии, Южной Америки, Африки, Северной Канады, Китая, России и Гренландии. После установления коммерческой телефонной связи на большие расстояния через спутники связи, начиная с 1979 года, на аналогичные спутники были адаптированы и многие другие коммерческие телекоммуникационные услуги, включая мобильные спутниковые телефоны, спутниковое радио, спутниковое телевидение и спутниковый доступ в интернет. Наиболее широкое распространение эти услуги получили в 1990-х годах, когда цены на коммерческие спутниковые каналы связи значительно снизились. 29 октября 2001 года была осуществлена и продемонстрирована первая в Европе цифровая спутниковая передача полнометражного фильма Бернара Паушона, Алена Лоренца, Рэймонда Мелвига и Филиппа Бинанта.
Компьютерные сети и Интернет
11 сентября 1940 года Джордж Стибиц смог передавать задачи посредством телетипа в свой калькулятор комплексных чисел в Нью-Йорке и получать вычисленные результаты обратно в Дартмутский колледж в Нью-Гэмпшире. Эта конфигурация централизованного компьютера или мэйнфрейма с удаленными терминалами оставалась популярной на протяжении 1950-х годов. Однако, только в 1960-х годах исследователи начали изучать пакетную коммутацию – технологию, которая позволяла бы отправлять фрагменты данных на различные компьютеры, минуя центральный мэйнфрейм. 5 декабря 1969 года появилась сеть из четырех узлов, соединившая Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Стэнфордский исследовательский институт, Университет Юты и Калифорнийский университет в Санта-Барбаре. Эта сеть стала ARPANET, которая к 1981 году насчитывала 213 узлов. В июне 1973 года к сети был подключен первый узел за пределами США, принадлежащий норвежскому проекту NORSAR. Вскоре после этого появился узел в Лондоне. Развитие ARPANET было сосредоточено вокруг процесса Request for Comments (Запрос комментариев), и 7 апреля 1969 года был опубликован RFC 1. Этот процесс имеет важное значение, поскольку ARPANET в конечном итоге объединился с другими сетями, образовав Интернет, и многие из протоколов, на которых сегодня основан Интернет, были определены в рамках этого процесса. Первая спецификация протокола управления передачей (TCP), (Спецификация программы управления передачей в сети Интернет), была написана Винтоном Серфом, Йогеном Далалом и Карлом Саншайном и опубликована в декабре 1974 года. В ней был введен термин "Интернет" как сокращение для объединения сетей. В сентябре 1981 года RFC 791 представил протокол Интернета версии 4 (IPv4). Это заложило основу для протокола TCP/IP, на котором сегодня основана большая часть Интернета. Протокол пользовательских дейтаграмм (UDP) – более гибкий транспортный протокол, который, в отличие от TCP, не гарантировал упорядоченную доставку пакетов, был представлен 28 августа 1980 года как RFC 768. Протокол электронной почты SMTP был представлен в августе 1982 года в RFC 821, а протокол http://1.0, который сделал возможным гипертекстовый Интернет, был представлен в мае 1996 года в RFC 1945. Однако не все важные разработки были сделаны в рамках процесса Request for Comments. Два популярных протокола связи для локальных сетей (LAN) также появились в 1970-х годах. Патент на протокол Token Ring был подан Олофом Сёдербломом 29 октября 1974 года. А статья о протоколе Ethernet была опубликована Робертом Меткалфом и Дэвидом Боггсом в июле 1976 года в журнале Communications of the ACM. Протокол Ethernet был вдохновлен протоколом ALOHAnet, разработанным исследователями-электротехниками в Гавайском университете. Доступ в Интернет стал широко распространенным в конце века, используя существующие телефонные и телевизионные сети.
Цифровая телефонная технология
Технология MOS изначально была проигнорирована Bell, поскольку они не считали её практичной для аналоговых телефонных приложений. Технология MOS в конечном итоге стала практичной для телефонных приложений с появлением интегральной схемы MOS с комбинированной обработкой сигналов (mixed-signal integrated circuit), которая объединяет аналоговую и цифровую обработку сигналов на одном чипе, разработанной бывшим инженером Bell Дэвидом А. Ходжесом совместно с Полом Р. Грей в Калифорнийском университете в Беркли в начале 1970-х годов. Силиконовый затвор CMOS (комплементарный MOS) PCM кодек-фильтр, разработанный Ходжесом и В. К. Блэком в 1980 году, стал одним из ключевых элементов в эпоху развития цифровых беспроводных сетей, приведших к социальной революции и смене парадигмы от проводных к беспроводным технологиям, включая распространение коммерческих беспроводных технологий, таких как сотовые телефоны, мобильная связь, пейджеры и беспроводные компьютерные сети. Беспроводная революция была обусловлена достижениями в области радиочастотной (RF) и микроволновой инженерии. В 1977 году Hitachi представила планарный тип DMOS, который оказался практичным для каскадов усиления аудиомощности. Технология интегральных схем RF CMOS (радиочастотная CMOS) была разработана Асадом Абиди в UCLA в конце 1980-х годов. К 1990-м годам интегральные схемы RF CMOS получили широкое распространение в качестве RF-схем. Большинство основных элементов современных беспроводных сетей, включая модули базовых станций, маршрутизаторы и радиоприёмники, созданы на основе MOSFET. Масштабирование MOSFET привело к быстрому увеличению пропускной способности беспроводной связи, которая удваивается каждые 18 месяцев (как отмечается законом Эдхольма).