Беспроводной комплект № 10

Беспроводной комплект № 10. Панель слева закрывает генераторы при транспортировке и открывалась во время работы. Два идентичных генератора позволяют предположить, что это модель Mark I, поскольку у Mark II было два разных генератора.

британской армии Беспроводной аппарат , номер 10 , был первой в мире многоканальной микроволновой ретрансляционной телефонной системой. Он передавал восемь полнодуплексных (двусторонних) телефонных каналов между двумя станциями, ограниченными только прямой видимостью , часто на расстоянии от 25 до 50 миль (от 40 до 80 км). Станции были установлены в мобильных трейлерах и настраивались простым наведением двух параболических антенн на крыше на следующую станцию. Систему можно расширить до ретранслятора, соединив прицепы вместе или используя существующие стационарные линии связи для соединения отдельных прицепов.

Основная концепция стала возможной с внедрением в 1940 году двух ключевых технологий: магнетрона с резонатором , который производил микроволновые сигналы с разумной эффективностью; и импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), которая предлагала простой способ кодирования сигналов на магнетроне. Поскольку доступная полоса пропускания была высокой, восемь каналов были объединены в один канал с помощью мультиплексирования с временным разделением каналов .

Ранние эксперименты с однодуплексными (односторонними) системами были проведены в 1941 и 1942 годах, которые продемонстрировали основную концепцию. К этому моменту усовершенствования в электронике позволили создать полнодуплексную систему. Испытания системы дальнего действия начались в 1942 году, после чего последовали надводные испытания. Система была готова к эксплуатации в 1944 году, и для «Дня Д» операций были доступны комплекты военного качества. Дальность действия была достаточной, чтобы обеспечить безопасную связь с пляжей Дня Д обратно в Англию через Ла-Манш , и в конечном итоге сеть была расширена до Германии. Фельдмаршал Бернард Монтгомери позже заметил:

Используя цепочку станций № 10, я смог держать свой тактический штаб так далеко вперед и по-прежнему поддерживать связь с Лондоном. Ценность возможности поддерживать личный контакт с моими армиями в этих обстоятельствах невозможно переоценить.

Описание

Радиотелефония

Основная статья: Радиотелефон

существовало множество систем для передачи телефонных разговоров по радио До Второй мировой войны , но все они страдали от ряда схожих проблем.

Во-первых, для обеспечения передачи на большие расстояния эти системы должны были работать на относительно низких частотах в килогерцовом диапазоне или на несколько более высоких длинноволновых частотах, которые могли использовать преимущества ионосферы для « пропуска » своих сигналов. Радиоантенна волны . должна быть в пределах примерно порядка длины , волны чтобы быть эффективной, и на практике ее размер часто точно соответствует длине 1/2 полуволновой длины волны, чтобы сформировать диполь . Таким образом, в этих системах использовались очень большие антенны.

Еще одним родственным радиофизическим эффектом является направленность антенны, ее способность формировать сигнал в луч. Это связано с оптическим разрешением , которое улучшается с увеличением размеров антенны и уменьшается с увеличением длины волны. Относительно длинные волны сигналов затрудняли фокусировку без использования огромных антенных решеток, и во многих случаях такие сигналы вместо этого передавались всенаправленно или полунаправленно. Это означало, что сигналы могли быть приняты наземными станциями, отличными от намеченной, иногда за тысячи миль, что приводило к помехам. Для защищенной военной связи такая система имела очевидные недостатки.

Наконец, объем информации, которую может передать радиосигнал, зависит от его полосы пропускания . Телефонный разговор может обойтись полосой пропускания всего в 4 кГц, но при 150 кГц это представляет собой довольно большую дробную полосу пропускания. В зависимости от конструкции антенны и приемника разброс частот, которые можно эффективно принимать, может ограничить соединение одним или двумя разговорами.

Все эти проблемы уменьшаются за счет перехода к более коротким длинам волн. В предвоенную эпоху проводились значительные эксперименты с новыми электронными лампами , которые могли работать в диапазоне очень высоких частот (ОВЧ). AT&T возглавила ряд этих проектов, в том числе систему, работающую на частоте 150 МГц. Это позволило сделать сигнал более четко сфокусированным, а увеличенная полоса пропускания позволила передавать сигнал по дюжине линий с использованием того же оборудования, которое использовалось для мультиплексирования вызовов в существующую стационарную сеть. Даже на этом раннем этапе Bell Labs отметила, что система будет гораздо более эффективной на сантиметровых волнах, и представила иллюстрацию системы, использующей рупорные антенны , которые могут передавать сотни вызовов. Дальнейшие эксперименты были свернуты с началом войны.

Экспериментировали с более высокочастотными системами, но они были существенно ограничены низкой мощностью микроволновых ламп того времени. Экспериментальная система 1931 года через Ла-Манш производила всего 0,5 Вт мощности и не использовалась в коммерческих целях. В 1935 году последовала коммерческая система. но хотя в то время частота 300 МГц считалась микроволнами, сегодня она будет известна как УВЧ . Несколько подобных экспериментов были также проведены в Германии, в первую очередь компанией Telefunken , но они были заблокированы низким уровнем мощности, и их многоканальная система так и не была успешно разработана. К концу Второй мировой войны они построили сеть, протяженность которой в конечном итоге достигла 70 000 километров (43 000 миль), используя одноканальные каналы связи и очень высокие антенны.

Разработка микроволновой печи

Основная статья: резонаторный магнетрон

При подаче напряжения электроны под действием сильного поперечного магнитного поля перемещаются от катода (не показан) к аноду и циркулируют мимо отверстий в центре анодного блока магнетрона. Это создает радиоэнергию в окружающих полостях, и частота выходного сигнала зависит от размера полостей и их расположения, а не от входного напряжения.

В рамках развития радиолокации в первые годы Второй мировой войны произошло быстрое развитие электроники и техники сверхвысокочастотного диапазона . Одним из ключевых достижений было внедрение магнетрона с резонатором в 1940 году.

Одной из причин повышенного интереса к микроволнам был вопрос размера антенны; в УКВ-диапазоне антенны радаров имели длину порядка метров, что затрудняло их использование на ночных истребителях . Напротив, магнетрон производил длину волны 9 см, а антенны были вдвое короче. Это означало, что они могли легко поместиться в носовой части ночного истребителя . Простой полуволновой диполь имеет небольшую направленность, но короткие длины волн снова помогли, поскольку подходящее устройство фокусировки с использованием параболической тарелки шириной около метра уменьшило ширину луча примерно до 5 градусов. Это сделало систему значительно более полезной; Мало того, что радиоэнергия фокусировалась на небольшой площади и, таким образом, создавала гораздо более сильные отражения, но эти отражения также можно было точно локализовать в пространстве, перемещая отражатель так, чтобы он был направлен на цель.

Потенциал магнетрона в области связи был понятен с самого начала, но в этой роли у него возникла серьезная проблема. В большинстве радиосистем того времени аудиосигнал и сигнал несущей радиочастоты генерируются отдельно, а затем смешиваются для получения амплитудно-модулированного сигнала, который затем усиливается для передачи. Для этого требуется усилитель, который может воспроизводить диапазон выходных частот, по крайней мере такой же широкий, как полоса пропускания аудиосигнала. Магнетрон этого не позволяет; он производит единственную частоту, которая зависит от его физической конструкции, определяемой количеством и размером просверленных в нем отверстий. Невозможно модулировать выходной сигнал с помощью отдельного сигнала.

ПКМ

В 1937 году английский инженер Алек Ривз, работая в парижских лабораториях IT&T, придумал идею импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). В этой концепции аналоговый сигнал восстанавливается из серии импульсов, ширина которых определяет амплитуду в данный момент. Серия таких импульсов отправляется в фильтр для воссоздания исходного аналогового сигнала. Когда немецкие войска вторглись во Францию ​​в мае 1940 года, Ривз вернулся в Англию.

Он прибыл как раз в тот момент, когда General Electric Company (GEC) поставляла первые серийные магнетроны. PCM практически идеально подходил для передачи с помощью магнетрона. Хотя магнетрон нельзя было плавно модулировать по амплитуде или частоте, его можно было включать и выключать очень быстро; именно это качество делает его полезным для радаров, где желательны короткие импульсы. Для передачи данных исходный аудиосигнал отправлялся в кодировщик PCM, импульсный выход которого затем усиливался и использовался в качестве источника питания для магнетрона. Результатом стала серия микроволновых импульсов, представляющих аудиосигнал. При приеме цепочка импульсов отправляется в схему, которая усредняет общую полученную энергию, воспроизводя звук для вывода.

Поскольку импульсы были довольно короткими по сравнению с временем выборки 9 кГц, большая часть сигнала была пустой. Этим можно было легко воспользоваться, если использовать другой кодировщик PCM и слегка задержать его импульсы, чтобы его сигналы отправлялись после первых. Это решило проблему мультиплексирования нескольких сигналов в одно соединение. Раньше телефонные системы достигали этого с помощью мультиплексирования с частотным разделением каналов , сдвигая каждый из каналов на другую несущую частоту, чтобы все они могли транслироваться одновременно, точно так же, как многие радиостанции могут совместно использовать радиоволны на разных «каналах». Поскольку магнетрон не мог изменить свою частоту, что обусловлено его физической конструкцией, этот метод не работал. При использовании PCM сигналы распределялись по времени, а не по частоте. Это делает Number 10 первой в мире системой мультиплексирования с временным разделением каналов (TDM).

Первый концептуальный проект, представленный в 1941 году, предназначался для одноканальной полудуплексной системы. Это будет работать как обычная радиостанция, где пользователи на обоих концах соединения должны говорить по очереди, поскольку они используют один канал. По мере продолжения разработки были разработаны точные фильтры, способные четко разделять две близко расположенные микроволновые частоты. Это привело к созданию новой версии, в которой использовались отдельные частоты для восходящего и нисходящего направлений, что позволяло работать в полнодуплексном режиме, хотя и с небольшим недостатком, заключавшимся в том, что требовались два магнетрона и антенны. Это было несложное изменение; недавно представленный GL Mk. III радар также использовал отдельные антенны для передачи и приема и легко адаптировался к новой роли.

В эксплуатацию

Первые экспериментальные комплекты прибыли в июле 1942 года и использовались на двухступенчатой ​​линии между Хоршемом и Бейкер-стрит, 64 в Лондоне. Последовали испытания над водой между Вентнором на острове Уайт и Бичи-Хед на южном побережье. Заказ на производство был отправлен в начале 1944 года.

Первое оперативное использование произошло вскоре после дня «Д», когда трансивер в Бичи-Хед был перенесен в Шербур . По мере продвижения союзников в Европу были созданы ретрансляторы путем соединения двух трейлеров № 10 друг за другом с помощью обычной телефонной проводки, что позволяло передавать сообщения на большие расстояния. Там, где были доступны междугородные стационарные линии связи, они использовались для расширения связи между станциями.

Результатом стала сеть стационарных телефонов и сетей № 10, которая в конечном итоге простиралась от Германии до Лондона. В апреле и мае 1945 года сеть из семи ретрансляторов связывала 21-ю группу армий с ее различными полевыми штабами. Наборы были чрезвычайно успешными. За всю войну штаб фельдмаршала Бернарда Монтгомери потерял прямую связь с Лондоном в общей сложности на один час.

На послевоенных отчетах немецкие радиоинженеры хвастались, что им удалось легко поймать британские сигналы. Тщательное изучение этих утверждений показало, что сообщения № 10 не только никогда не перехватывались, но и немцы совершенно не знали о его существовании.

Пост-был

В конце войны клистронная трубка также была усовершенствована и стала полезной системой. В отличие от магнетрона, клистрон является настоящим усилителем, принимающим входной сигнал малой мощности в широком диапазоне частот, а затем выдающим его с гораздо большей мощностью. Это позволило построить системы связи с использованием мультиплексирования с частотным разделением каналов. Поскольку это решение уже широко использовалось в телефонии с коаксиальным кабелем , Bell Labs выбрала это решение для своей сети TD-2 , построенной в США в начале 1950-х годов и во многих других странах в конце 1950-х годов.

Напротив, PCM использовался в основном в военных целях, прежде чем его стали использовать в гражданских целях. Среди наиболее активных пользователей было Главное почтовое отделение , которое в то время предоставляло услуги междугородной связи в Великобритании. Они представили серию систем на основе PCM, которые позволяли располагать линии связи на большом расстоянии друг от друга, поскольку они могли четко восстанавливать исходную серию импульсов даже при очень низких уровнях сигнала. Это позволило обеспечить гораздо более высокое качество междугородной связи. клиента В 1968 году компания открыла первую цифровую АТС, полностью состоящую из PCM, без аналоговых сигналов, пока они не достигли местной АТС .

Техническое описание

Сложность системы в основном была связана с кодированием PCM. Система была основана на тактовом сигнале в форме синусоидальной волны частотой 9 кГц. Синусоидальная волна обрабатывалась в серии ламп для получения пилообразной волны , которая затем стробировалась аудиосигналом. Когда напряжение пилообразного сигнала превышало напряжение аудиосигнала, создавался выходной импульс — чем выше напряжение аудиосигнала, тем меньше ширина пилообразного сигнала выше этого уровня и тем короче импульс. Конечным результатом была серия импульсов с опорной частотой 9 кГц, причем ширина каждого импульса была обратно пропорциональна напряжению аудиосигнала.

В системе в целом было восемь таких пробоотборников, называемых сепараторами . Каждый из них выдает импульс длительностью до 3,5 мкс. В каждом сэмплере была добавлена ​​фиксированная задержка, так что импульс канала 2 выходил примерно через 5 мкс после импульса канала 1. В результате образовалась цепочка импульсов в течение одного полного цикла главного тактового сигнала. Перед каналом 1 был добавлен отдельный синхроимпульс длительностью 20 мкс, чтобы обеспечить восстановление тактовой частоты . Цепочка импульсов от сепараторов усиливается и передается на передающий магнетрон, который генерирует импульсы микроволнового сигнала.

Прием стал намного проще. СВЧ-сигнал принимается и преобразуется обратно в исходный низкочастотный сигнал с помощью супергетеродинного тюнера. Тактовый сигнал извлекается из сигнала синхронизации, и каждый канал выделяется путем выборки в фиксированные моменты времени относительно синхронизации. Отделенные импульсы подаются в фильтры нижних частот , которые непосредственно создают исходный звуковой сигнал.

В остальном система относительно проста. Выходной сигнал магнетрона передается на дипольную антенну перед параболическим отражателем диаметром 2 метра (6 футов 7 дюймов). Вторая рефлекторная антенна была расположена рядом с первой для приема. Оригинальные устройства Mark I посылали сигналы в восходящем направлении на частоте 4550 или 4760 МГц, тогда как приемник был чувствителен ко всему диапазону между 4410 и 4888 МГц. В устройствах Mark II эта частота была увеличена до 4480 и 4840 МГц. Выходная мощность передатчиков обычно составляла от 100 до 400 мВт.

Дальность обычно составляла порядка 20 миль (32 км), но иногда «значительно превышала» 50 миль (80 км). Обычно используются только семь из восьми телефонных каналов, оставляя один свободным для использования операторами станции или в качестве резервного, если один из остальных выйдет из строя.

Система была смонтирована в относительно небольшом четырехколесном прицепе с антеннами на поворотной платформе сверху. Питание может осуществляться от любой сети напряжением от 100 до 250 вольт. Установки Mark I также могли обеспечивать автономное питание с помощью двух генераторов Onan мощностью 3 кВА, установленных на одном конце прицепа, в то время как Mark II использовал один генератор PE 95 мощностью 10 кВА с другим генератором Onan для резервного копирования.

Ссылки

Библиография

• «Беспроводное оборудование, беспроводной комплект № 10, британский» . Имперский военный музей .
• Кэмбрук, Джеймс (2000). «Беспроводной комплект №10» . Устная история оборонной электроники .
• «Грандиозный прорыв» . Научно-исследовательский институт сигналов . 2002. Архивировано из оригинала 18 июля 2011 года.
• «Широто-импульсная модуляция: описание основных принципов» (PDF) . Беспроводной мир . Декабрь 1945 г., стр. 361–362.
• «Армейский комплект № 10: Сантиметровые волны, импульсная модуляция, многоканальный» (PDF) . Беспроводной мир . Декабрь 1945 г., стр. 383–384.
• Бутемент, WAS (июнь 1946 г.). «Многоканальная импульсная модуляция: подробности об армейской беспроводной станции № 10» (PDF) . Беспроводной мир . стр. 187–192.
• Марш, Эллисон (31 октября 2018 г.). «От радара времен Второй мировой войны до попкорна в микроволновой печи - резонаторный магнетрон был там» . IEEE-спектр .
• Дикисон, Олтон (октябрь 1967 г.). «История TD2» . Отчет лабораторий Белла .
• «Как импульсно-кодовая модуляция помогла выиграть войну и создать компакт-диски» . Телеграф . 30 декабря 2016 г.
• Ловелл, Бернард (1991). Эхо войны: история радара H2S . ЦРК Пресс. ISBN  0852743173 .

Внешние ссылки

• Беспроводной комплект №10