Беспроводная телеграфия: История и принципы работы

Введение

Метод связи

Беспроводная телеграфия, или радиотелеграфия, – это передача текстовых сообщений посредством радиоволн, аналогичная электрической телеграфии с использованием кабелей. До 1910 года термин «беспроводная телеграфия» также применялся к другим экспериментальным технологиям для передачи телеграфных сигналов без проводов. В радиотелеграфии информация передается импульсами радиоволн двух различных длительностей, называемых «точками» и «тире», которые складываются в текстовые сообщения, обычно в коде Морзе. В ручной системе передающий оператор нажимает на переключатель, называемый телеграфным ключом, который включает и выключает передатчик, генерируя импульсы радиоволн. На приемном конце эти импульсы слышны в динамике приемника в виде сигналов, которые оператор, знающий код Морзе, расшифровывает обратно в текст. Радиотелеграфия была первым средством радиосвязи. Первые практические радиопередатчики и приемники, изобретенные Гульельмо Маркони в 1894–1895 годах, использовали радиотелеграфию. Она оставалась единственным типом радиопередачи в течение первых нескольких десятилетий развития радио, период, известный как «эра беспроводной телеграфии», вплоть до Первой мировой войны, когда разработка амплитудной модуляции (AM) в радиотелефонии позволила передавать звук (аудио) по радио. Начиная примерно с 1908 года, мощные трансокеанские радиотелеграфные станции передавали коммерческие телеграммы между странами со скоростью до 200 слов в минуту. Радиотелеграфия использовалась для дальней текстовой связи между людьми в коммерческих, дипломатических и военных целях на протяжении первой половины XX века. Она приобрела стратегическое значение во время обеих мировых войн, поскольку страна, не имеющая станций дальней радиотелеграфии, могла быть изолирована от остального мира в случае перерезания подводных телеграфных кабелей противником. Радиотелеграфия по-прежнему популярна в любительском радио. Её также преподают военным для использования в аварийных ситуациях. Однако коммерческая радиотелеграфия устарела.

Принципы

Беспроводная телеграфия или радиотелеграфия, обычно называемая CW (непрерывная волна), ICW (прерывистая непрерывная волна) передачей или включением-выключением несущей, и обозначенная Международным союзом электросвязи как тип эмиссии A1A или A2A, является методом радиосвязи. На протяжении своей истории она передавалась различными методами модуляции. Примитивные искровые передатчики, использовавшиеся до 1920 года, передавали затухающие волны, которые имели очень широкую полосу пропускания и склонны создавать помехи другим передачам. Этот тип излучения был запрещен к 1934 году, за исключением некоторых устаревших применений на судах. Вакуумные ламповые передатчики (клапаны), которые начали использоваться после 1920 года, передавали код импульсами немодулированной синусоидальной несущей волны, называемой непрерывной волной (CW), которая используется и сегодня. Для приема передач CW приемнику требуется схема, называемая гетеродинным осциллятором (BFO). Третий тип модуляции, частотная манипуляция (FSK), использовался в основном сетями радиотелетипии (RTTY). Морзовская радиотелеграфия постепенно была заменена радиотелетипией в большинстве областей применения с высокой пропускной способностью к началу Второй мировой войны. В ручной радиотелеграфии передающий оператор управляет переключателем, называемым телеграфным ключом, который включает и выключает радиопередатчик, создавая импульсы немодулированной несущей волны различной длительности, называемые "точками" и "тире", которые кодируют символы текста в коде Морзе. В точке приема код Морзе слышен в наушниках или динамике приемника как последовательность щелчков или сигналов, которые оператор, знающий код Морзе, расшифровывает обратно в текст. При автоматической радиотелеграфии телепринтеры на обоих концах используют код, такой как Международный телеграфный алфавит № 2, и выводят напечатанный текст. Радиотелеграфия устарела в коммерческой радиосвязи, и ее последнее гражданское применение, требовавшее от операторов морской подвижной связи использования кода Морзе для аварийной связи, завершилось в 1999 году, когда Международная морская организация перешла на спутниковую систему ГМССБ. Однако она все еще используется радиолюбителями, а военные службы требуют, чтобы сигнальщики были обучены коду Морзе для аварийной связи. В Калифорнии до сих пор существует береговая станция КВ, KSM, которая в основном управляется как музей волонтерами, и время от времени устанавливаются контакты с судами. В качестве устаревшего применения, радиомаяки VOR (всенаправленного диапазона) и NDB в службе авиационной радионавигации по-прежнему передают свои идентификаторы, состоящие из одной-трех букв, кодом Морзе. Радиотелеграфия популярна среди радиолюбителей во всем мире, которые обычно называют ее непрерывной волной или просто CW. Анализ более 700 миллионов сообщений, зарегистрированных в блоге Club Log, и аналогичный обзор данных, зарегистрированных Американской лигой радиосвязи, показывают, что беспроводная телеграфия является вторым по популярности видом любительской радиосвязи, на долю которого приходится почти 20% контактов. Это делает ее более популярной, чем голосовая связь, но менее популярной, чем цифровой режим FT8, на который приходилось 60% контактов радиолюбителей в 2021 году. С 2003 года знание кода Морзе и беспроводной телеграфии больше не требуется для получения лицензии радиолюбителя во многих странах, однако в некоторых странах оно все еще требуется для получения лицензии другого класса. По состоянию на 2021 год для получения лицензии класса A в Беларуси и Эстонии, класса General в Монако или класса 1 в Украине требуется знание кода Морзе для доступа ко всему любительскому радиочастотному спектру, включая высокочастотные (HF) диапазоны, и класса 1 в России.

Wireless telegraphy or radiotelegraphy, commonly called CW (continuous wave), ICW (interrupted continuous wave) transmission, or on off keying, and designated by the International Telecommunication Union as emission type A1A or A2A, is a radio communication method. It was transmitted by several different modulation methods during its history. The primitive spark gap transmitters used until 1920 transmitted damped waves, which had very wide bandwidth and tended to interfere with other transmissions. This type of emission was banned by 1934, except for some legacy use on ships. The vacuum tube (valve) transmitters which came into use after 1920 transmitted code by pulses of unmodulated sinusoidal carrier wave called continuous wave (CW), which is still used today. To receive CW transmissions, the receiver requires a circuit called a beat frequency oscillator (BFO). The third type of modulation, frequency shift keying (FSK) was used mainly by radioteletype networks (RTTY). Morse code radiotelegraphy was gradually replaced by radioteletype in most high volume applications by World War II. In manual radiotelegraphy the sending operator manipulates a switch called a telegraph key, which turns the radio transmitter on and off, producing pulses of unmodulated carrier wave of different lengths called "dots" and "dashes", which encode characters of text in Morse code. At the receiving location, Morse code is audible in the receiver's earphone or speaker as a sequence of buzzes or beeps, which is translated back to text by an operator who knows Morse code. With automatic radiotelegraphy teleprinters at both ends use a code such as the International Telegraph Alphabet No. 2 and produced typed text. Radiotelegraphy is obsolete in commercial radio communication, and its last civilian use, requiring maritime shipping radio operators to use Morse code for emergency communications, ended in 1999 when the International Maritime Organization switched to the satellite based GMDSS system. However it is still used by amateur radio operators, and military services require signalmen to be trained in Morse code for emergency communication. A CW coastal station, KSM, still exists in California, run primarily as a museum by volunteers, and occasional contacts with ships are made. In a minor legacy use, VHF omnidirectional range (VOR) and NDB radio beacons in the aviation radio navigation service still transmit their one to three letter identifiers in Morse code. Radiotelegraphy is popular amongst radio amateurs world wide, who commonly refer to it as continuous wave, or just CW. A 2021 analysis of over 700 million communications logged by the Club Log blog, and a similar review of data logged by the American Radio Relay League, both show that wireless telegraphy is the 2nd most popular mode of amateur radio communication, accounting for nearly 20% of contacts. This makes it more popular than voice communication, but not as popular as the FT8 digital mode, which accounted for 60% of amateur radio contacts made in 2021. Since 2003, knowledge of Morse code and wireless telegraphy has no longer been required to obtain an amateur radio license in many countries, it is, however, still required in some countries to obtain a licence of a different class. As of 2021, licence Class A in Belarus and Estonia, or the General class in Monaco, or Class 1 in Ukraine require Morse proficiency to access the full amateur radio spectrum including the high frequency (HF) bands. and Class 1 in Russia,

История

Усилия по поиску способа передачи телеграфных сигналов без проводов выросли из успеха электрических телеграфных сетей – первых систем мгновенной телекоммуникации. Телеграфная линия, разработанная начиная с 1830-х годов, представляла собой систему текстовых сообщений от человека к человеку, состоящую из нескольких телеграфных бюро, соединенных воздушной линией, поддерживаемой на телеграфных столбах. Чтобы отправить сообщение, оператор в одном бюро нажимал на переключатель, называемый телеграфным ключом, создавая импульсы электрического тока, которые складывались в сообщение кодом Морзе. При нажатии ключа он подключал батарею к телеграфной линии, посылая ток по проводу. В приемном бюро импульсы тока приводили в действие телеграфный звуковой аппарат – устройство, издававшее звук "щелчка" при получении каждого импульса тока. Оператор на приемной станции, знавший код Морзе, переводил эти щелчки в текст и записывал сообщение. Земля использовалась в качестве обратной цепи для тока в телеграфной схеме, чтобы избежать необходимости во второй воздушной линии. К 1860-м годам телеграф стал стандартным способом передачи наиболее срочных коммерческих, дипломатических и военных сообщений, а индустриально развитые страны построили общеконтинентальные телеграфные сети, с подводными телеграфными кабелями, позволявшими телеграфным сообщениям преодолевать океаны. Однако установка и обслуживание телеграфной линии, соединяющей удаленные станции, было очень дорогостоящим, а провода не могли достичь некоторых мест, например, кораблей в море. Изобретатели осознали, что если удастся найти способ передачи электрических импульсов кода Морзе между отдельными пунктами без соединительного провода, это произведет революцию в области связи. Успешным решением этой задачи стало открытие радиоволн в 1887 году и разработка практических радиотелеграфных передатчиков и приемников примерно к 1899 году. Начиная с 1894 года, итальянский изобретатель Гульельмо Маркони работал над адаптацией недавно открытого явления радиоволн для связи, превращая то, что до этого момента было по сути лабораторным экспериментом, в полезную систему коммуникации, создав первую систему радиотелеграфии с их использованием. Прийс и Главное почтовое отделение (GPO) в Великобритании первоначально поддерживали и оказывали финансовую поддержку экспериментам Маркони, проводившимся на равнине Солсбери с 1896 года. Прийс убедился в этой идее благодаря своим экспериментам с беспроводной индукцией. Однако поддержка была отозвана, когда Маркони основал компанию Wireless Telegraph & Signal Company. Юристы GPO установили, что система подпадает под определение телеграфа в соответствии с Законом о телеграфе и, следовательно, подпадает под монополию почты. Однако это, по всей видимости, не остановило Маркони. После того, как Маркони в 1901 году передал беспроводные телеграфные сигналы через Атлантический океан, система начала использоваться для регулярной связи, включая связь между кораблями и берегом, а также между кораблями. С этим развитием беспроводная телеграфия стала синонимом радиотелеграфии – кода Морзе, передаваемого радиоволнами. Первые радиопередатчики, примитивные искровые передатчики, использовавшиеся до Первой мировой войны, не могли передавать голос (аудиосигналы). Вместо этого оператор отправлял текстовое сообщение с помощью телеграфного ключа, который включал и выключал передатчик, создавая короткие ("точка") и длинные ("тире") импульсы радиоволн, группы которых составляли буквы и другие символы кода Морзе. На приемной стороне сигналы можно было услышать как музыкальные "бипы" в наушниках оператором, который переводил код обратно в текст. К 1910 году связь, осуществляемая с помощью так называемых "герцеанских волн", повсеместно стала называться "радио", а термин "беспроводная телеграфия" в значительной степени был заменен более современным термином "радиотелеграфия".

Efforts to find a way to transmit telegraph signals without wires grew out of the success of electric telegraph networks, the first instant telecommunication systems. Developed beginning in the 1830s, a telegraph line was a person to person text message system consisting of multiple telegraph offices linked by an overhead wire supported on telegraph poles. To send a message, an operator at one office would tap on a switch called a telegraph key, creating pulses of electric current which spelled out a message in Morse code. When the key was pressed, it would connect a battery to the telegraph line, sending current down the wire. At the receiving office, the current pulses would operate a telegraph sounder, a device that would make a "click" sound when it received each pulse of current. The operator at the receiving station who knew Morse code would translate the clicking sounds to text and write down the message. The ground was used as the return path for current in the telegraph circuit, to avoid having to use a second overhead wire. By the 1860s, the telegraph was the standard way to send most urgent commercial, diplomatic and military messages, and industrial nations had built continent wide telegraph networks, with submarine telegraph cables allowing telegraph messages to bridge oceans. However installing and maintaining a telegraph line linking distant stations was very expensive, and wires could not reach some locations such as ships at sea. Inventors realized if a way could be found to send electrical impulses of Morse code between separate points without a connecting wire, it could revolutionize communications. The successful solution to this problem was the discovery of radio waves in 1887, and the development of practical radiotelegraphy transmitters and receivers by about 1899. Over several years starting in 1894, the Italian inventor Guglielmo Marconi worked on adapting the newly discovered phenomenon of radio waves to communication, turning what was essentially a laboratory experiment up to that point into a useful communication system, building the first radiotelegraphy system using them. Preece and the General Post Office (GPO) in Britain at first supported and gave financial backing to Marconi's experiments conducted on Salisbury Plain from 1896. Preece had become convinced of the idea through his experiments with wireless induction. However, the backing was withdrawn when Marconi formed the Wireless Telegraph & Signal Company. GPO lawyers determined that the system was a telegraph under the meaning of the Telegraph Act and thus fell under the Post Office monopoly. This did not seem to hold back Marconi. After Marconi sent wireless telegraphic signals across the Atlantic Ocean in 1901, the system began being used for regular communication including ship to shore and ship to ship communication. With this development, wireless telegraphy came to mean radiotelegraphy, Morse code transmitted by radio waves. The first radio transmitters, primitive spark gap transmitters used until World War I, could not transmit voice (audio signals). Instead, the operator would send the text message on a telegraph key, which turned the transmitter on and off, producing short ("dot") and long ("dash") pulses of radio waves, groups of which comprised the letters and other symbols of the Morse code. At the receiver, the signals could be heard as musical "beeps" in the earphones by the receiving operator, who would translate the code back into text. By 1910, communication by what had been called "Hertzian waves" was being universally referred to as "radio", and the term wireless telegraphy has been largely replaced by the more modern term "radiotelegraphy".

Методы

Примитивные искровые передатчики, использовавшиеся до 1920 года, осуществляли передачу методом модуляции, называемым затухающей волной. Пока удерживалась клавиша телеграфа, передатчик генерировал серию кратковременных импульсов радиоволн, повторявшихся с частотой звукового диапазона, обычно от 50 до нескольких тысяч герц. В наушниках приемника это звучало как музыкальный тон, треск или гул. Таким образом, точки и тире азбуки Морзе воспринимались как короткие сигналы. Затухающая волна имела большую полосу пропускания, что означало, что радиосигнал не был сосредоточен на одной частоте, а занимал широкий диапазон частот. Передатчики затухающей волны имели ограниченную дальность и создавали помехи для передач других передатчиков на соседних частотах. После 1905 года были изобретены новые типы радиотелеграфных передатчиков, которые передавали код с использованием нового метода модуляции: непрерывной волны (CW) (определенной Международным союзом электросвязи как тип излучения A1A). Пока удерживалась клавиша телеграфа, передатчик генерировал непрерывную синусоидальную волну постоянной амплитуды. Поскольку вся энергия радиоволны была сконцентрирована на одной частоте, передатчики CW могли передавать на большее расстояние при той же мощности, а также практически не создавали помех для передач на соседних частотах. Первыми передатчиками, способными генерировать непрерывную волну, были передатчик с дуговым преобразователем (дуга Пульсена), изобретенный датским инженером Вальдемаром Пульсеном в 1903 году, и генератор Александерсона, изобретенный Реджинальдом Фессенденом и Эрнстом Александерсоном в 1906–1912 годах. Они постепенно заменили искровые передатчики на мощных радиотелеграфных станциях. Однако радиоприемники, предназначенные для приема затухающей волны, не могли принимать непрерывную волну. Поскольку сигнал CW, генерируемый при нажатой клавише, представлял собой просто немодулированную несущую, он не создавал звука в наушниках приемника. Для приема сигнала CW необходимо было найти способ сделать импульсы несущей азбуки Морзе слышимыми в приемнике. Эту проблему решил Реджинальд Фессенден в 1901 году. В его "гетеродиновом" приемнике входящий радиотелеграфный сигнал смешивался в детекторном кристалле или вакуумной лампе приемника с постоянной синусоидальной волной, генерируемой электронным генератором в приемнике, называемым генератором разностной частоты (BFO). Частота генератора была смещена относительно частоты радиопередатчика. В детекторе две частоты вычитались, и генерировалась разностная частота (гетеродин) – разность между двумя частотами. Если частота BFO достаточно близка к частоте радиостанции, разностная частота попадает в звуковой диапазон и может быть услышана в наушниках приемника. Во время точек и тире сигнала генерировался битональный сигнал, а между ними отсутствовала несущая, поэтому звук не создавался. Таким образом, азбука Морзе воспринималась как музыкальные "бипы" в наушниках. Генераторы BFO были редкостью до изобретения в 1913 году первого практичного электронного генератора – генератора обратной связи на вакуумных лампах, разработанного Эдвином Армстронгом. После этого генераторы BFO стали стандартной частью радиотелеграфных приемников. Каждый раз, когда радио настраивалось на другую частоту станции, необходимо было изменять и частоту BFO, поэтому генератор BFO должен был быть настраиваемым. В более поздних супергетеродинных приемниках, начиная с 1930-х годов, сигнал BFO смешивался с постоянной промежуточной частотой (ПЧ), генерируемой детектором супергетеродина. Следовательно, BFO мог иметь фиксированную частоту. Передатчики непрерывной волны на вакуумных лампах заменили другие типы передатчиков с появлением мощных ламп после Первой мировой войны, поскольку они были дешевыми. К 1920-м годам CW стал стандартным методом радиотелеграфной связи, а к 1930-м годам передатчики затухающей волны были запрещены, и CW продолжает использоваться и сегодня. Даже сегодня большинство коммуникационных приемников, предназначенных для использования в коротковолновых станциях связи, оснащены генераторами BFO.

The primitive spark gap transmitters used until 1920 transmitted by a modulation method called damped wave. As long as the telegraph key was pressed, the transmitter would produce a string of transient pulses of radio waves which repeated at an audio rate, usually between 50 and several thousand hertz. In a receiver's earphone, this sounded like a musical tone, rasp or buzz. Thus the Morse code "dots" and "dashes" sounded like beeps. Damped wave had a large frequency bandwidth, meaning that the radio signal was not a single frequency but occupied a wide band of frequencies. Damped wave transmitters had a limited range and interfered with the transmissions of other transmitters on adjacent frequencies. After 1905 new types of radiotelegraph transmitters were invented which transmitted code using a new modulation method: continuous wave (CW) (designated by the International Telecommunication Union as emission type A1A). As long as the telegraph key was pressed, the transmitter produced a continuous sinusoidal wave of constant amplitude. Since all the radio wave's energy was concentrated at a single frequency, CW transmitters could transmit further with a given power, and also caused virtually no interference to transmissions on adjacent frequencies. The first transmitters able to produce continuous wave were the arc converter (Poulsen arc) transmitter, invented by Danish engineer Valdemar Poulsen in 1903, and the Alexanderson alternator, invented 1906–1912 by Reginald Fessenden and Ernst Alexanderson. These slowly replaced the spark transmitters in high power radiotelegraphy stations. However, the radio receivers used for damped wave could not receive continuous wave. Because the CW signal produced while the key was pressed was just an unmodulated carrier wave, it made no sound in a receiver's earphones. To receive a CW signal, some way had to be found to make the Morse code carrier wave pulses audible in a receiver. This problem was solved by Reginald Fessenden in 1901. In his "heterodyne" receiver, the incoming radiotelegraph signal is mixed in the receiver's detector crystal or vacuum tube with a constant sine wave generated by an electronic oscillator in the receiver called a beat frequency oscillator (BFO). The frequency of the oscillator is offset from the radio transmitter's frequency In the detector the two frequencies subtract, and a beat frequency (heterodyne) at the difference between the two frequencies is produced: If the BFO frequency is near enough to the radio station's frequency, the beat frequency is in the audio frequency range and can be heard in the receiver's earphones. During the "dots" and "dashes" of the signal, the beat tone is produced, while between them there is no carrier so no tone is produced. Thus the Morse code is audible as musical "beeps" in the earphones. The BFO was rare until the invention in 1913 of the first practical electronic oscillator, the vacuum tube feedback oscillator by Edwin Armstrong. After this time BFOs were a standard part of radiotelegraphy receivers. Each time the radio was tuned to a different station frequency, the BFO frequency had to be changed also, so the BFO oscillator had to be tunable. In later superheterodyne receivers from the 1930s on, the BFO signal was mixed with the constant intermediate frequency (IF) produced by the superheterodyne's detector. Therefore, the BFO could be a fixed frequency. Continuous wave vacuum tube transmitters replaced the other types of transmitter with the availability of power tubes after World War I because they were cheap. CW became the standard method of transmitting radiotelegraphy by the 20s, damped wave spark transmitters were banned by 1930 and CW continues to be used today. Even today most communications receivers produced for use in shortwave communication stations have BFOs.

Промышленность

Международный радиотелеграфный союз был неофициально учрежден на первой Международной конвенции по радиотелеграфии в 1906 году и объединен с Международным союзом электросвязи в 1932 году. Когда Соединенные Штаты вступили в Первую мировую войну, частные радиотелеграфные станции были запрещены, что положило конец работе нескольких пионеров в этой области. К 1920-м годам существовала глобальная сеть коммерческих и государственных радиотелеграфных станций, а также широкое использование радиотелеграфии судами как в коммерческих целях, так и для передачи пассажирских сообщений. Передача звука (радиотелефония) начала вытеснять радиотелеграфию в 1920-х годах во многих областях применения, что сделало возможным радиовещание. Беспроводная телеграфия продолжала использоваться для частной деловой, правительственной и военной связи, такой как телеграммы и дипломатическая корреспонденция, и развилась в сети радиотелетипии. Высшим достижением беспроводной телеграфии стал телекс, использующий радиосигналы, разработанный в 1930-х годах и на протяжении многих лет являвшийся единственным надежным средством связи между многими отдаленными странами. Наиболее совершенный стандарт CCITT R.44 автоматизировал маршрутизацию и кодирование сообщений посредством коротковолновых передач. Сегодня, благодаря более современным методам передачи текста, радиотелеграфия с использованием кода Морзе для коммерческого использования устарела. На судах компьютерная система GMDSS, связанная со спутниками, во многом заменила азбуку Морзе как средство связи.

Регулирование

Радиотелеграфия непрерывной волны (CW) регулируется Международным союзом электросвязи (ITU) как тип излучения A1A. Федеральная комиссия связи США выдает пожизненную лицензию коммерческого радиотелеграфиста. Для её получения необходимо сдать простой письменный тест по нормативным документам, более сложный письменный экзамен по технике и продемонстрировать способность принимать азбуку Морзе со скоростью 20 слов в минуту обычным текстом и 16 групп кода в минуту. (Засчитываются любительские лицензии высшего класса, полученные при старом требовании 20 слов в минуту.)