Первые шаги цифровой передачи сигналов связаны с развитием электрического телеграфа. Неэлектрические системы передачи сигналов появились более 2000 лет назад. Греческий военачальник Полибий применял в 300 г. до нашей эры схему сигнализации из 10 факелов, а римские войска широко использовали одну из разновидностей семафорной связи [12].

В начале XIX века сложилась ситуация, когда трудами и исследованиями Г. Х. Эрстеда, Ампера, Гаусса, Вебера, С. Т. Зёммеринга и других ученых была создана теоретическая и практическая база для создания электрической телеграфной связи.

Основным стимулом для создания и широкого внедрения телеграфной связи явилось развитие железных дорог, начиная с 1830 г. Даже на заре своего существования железнодорожные поезда могли перемещаться со скоростью до 80 км/час, и поэтому потребовалась система связи, обеспечивающая передачу информации со скоростью, соизмеримой со скоростью движения поездов. В 1832 г. русским ученным П. Л. Шиллингом был создан первый телеграфный аппарат пригородный для эксплуатации. Усилиями английских исследователей Уитстона и Кука телеграфный аппарат Шиллинга был внедрен в практическую эксплуатацию в 1837 г. на магистрали Лондон – Бирмингем.

После этого телеграфные системы начали быстро внедряться и к 1870 г. они существовали во всем мире. Основным барьером для прогресса телеграфной связи явилось то обстоятельство, что для каждой пары телеграфных аппаратов (на передаче и приеме) требовалась отдельная линия связи.

Следующим этапом развития цифровой передачи в виде телеграфных сигналов явилось многократное использование одной линии связи для передачи нескольких сообщений, что существенно повышало эффективность использования линейных сооружений. Первая работоспособная многоканальная система передачи, основанная на временном объединении телеграфных сигналов, была создана молодым инженером французской телеграфной службы Ш. Бодо в 1875 г. При ее разработке были успешно решены несколько технических проблем, важнейшими из которых являются – синхронизация передающей и приемной частей системы передачи, а также внедрение в практику равномерного 5-ти разрядного телеграфного кода. В знак заслуг Бодо в области передачи цифровых сигналов его именем названа единица телеграфирования: Бод – количество телеграфных символов передаваемых за 1 сек.

К 1872 г. большая часть основных методов передачи была открыта и реализована в том или ином виде. В том же году американец Александр Белл начал работать над созданием тонального телеграфа, что в конце концов привело его к изобретению телефона в 1876 г.

В качестве средства общения телефон обеспечивал быстроту, удобство и живой контакт между абонентами. Начиная с 1868г. телефон начал доминировать как средство связи. Телефонная связь предусматривала передачу аналоговых сигналов, и развивающиеся сети связи в основном рассчитывались на осуществление передачи аналоговых сигналов, а цифровая передача (телеграфия) все в большей степени приспосабливалась под характеристики аналоговых сетей. К 1950 г. системы связи были почти полностью аналоговыми, за исключением телеграфных систем, работающих на длинных магистралях подводного кабеля, и некоторых систем радиосвязи. Необходимость передачи широкополосных аналоговых телефонных сигналов, чувствительных к искажениям и помехам, стимулировало развитие методов цифровой передачи сигналов основным преимуществом которых является значительно большая помехозащищенность по сравнению с аналоговыми сигналами [1].

В конце 20-х – начале 30-х годов XX века трудами Г. Найквиста [3], В. А. Котельникова [4,5], позднее К. Шеннона [6] была создана фундаментальная теория цифровой передачи сигналов. Важнейшим практическим результатом явился вывод о том, что любой непрерывный аналоговый сигнал с ограниченным спектром может быть представлен дискретным во времени сигналом в виде амплитудно-импульсной модуляции (АИМ). Первым видом цифровой передачи аналоговых сигналов была широтно-импульсная модуляция (ШИМ), изобретенная Р. Хайзингом в 1924 г. [1]. Хотя он не был непосредственной заинтересован в цифровой передаче; его цель заключалась в применении широтно-импульсной модуляции для повышения КПД радиоусилителей. Решающие шаги в изобретении истинно цифрового кодирования аналоговых сигналов были сделаны французом, работающим в лабораториях компании ИТТ, А. Ривзом в период 1936 – 1937 гг. [2]. Его первым вкладом было открытие еще одного вида модуляции – импульсно-временной модуляции (ВИМ). При этом информация представлялась временем появления импульса относительно некоторой определенной шкалы времени (рис. 1.1.)

Рис 1.1. Виды импульсной модуляции:

а – модулирующий сигнал; б – амплитудно-импульсная модуляция; в – широтно-импульсная модуляция; г – фазоимпульсная модуляция; д – импульсно-кодовая модуляция.

Следующим, важнейшим шагом было осознание Ривзом того факта, что квантованием оставшегося аналогового параметра сигнала (амплитуды) и представлением его в виде двоичного кода можно добиться высокой помехоустойчивости. Это заключением привело Ривза к изобретению импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Что касается европейских исследователей, то дальнейшее развитие техники ИКМ вскоре было прервано войной 1939-1945 гг., в результате чего уточнение основных идей Ривза произошло в Америке. В 1947 г. ученые Телефонных лабораторий фирмы “Белл” опубликовали первое сообщение о полностью работоспособной системе с ИКМ [2]. Примерно в то же время Делорен во Франции и Л. А. Коробков в СССР изобрели дельта-модуляцию (ДМ).

Следующим видом цифровой передачи было разработка Каплером в 1950 г. [2] методов дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ). Эти способы передачи аналоговых сигналов в дифференциальном виде: ИКМ, ДМ и ДИКМ (и их модификации в виде адаптивных АДМ и АДИКМ), служат основой для построения современных телекоммуникационных систем.

Фундаментальные проблемы ИКМ, как указывалось выше, были в основном решены к 1947г. однако прошло еще 15 лет, прежде чем первая коммерческая система была внедрена на сети связи (система Т1 в США). Задержка во внедрении объясняется двумя факторами, а именно: отсутствием потребности в системе и отсутствием соответствующей поддерживающей технологии.

Аппаратура с ИКМ на основе технологии 1947 г. была реализована на базе коммутирующего прибора в виде электронных ламп и по этой причине была громоздкой, скорее ненадежной, потребляла большую мощность и имела тенденцию к сильному нагреву. Однако в 1949 г. в США Дж. Бардиным??? и У. Шокли были изобретены полупроводниковые транзисторы – плоскостные триоды. Для разработки транзисторов и внедрению их в промышленное производство потребовалось еще около 10 лет и в 1957 г. был создан почти идеальный коммутационный прибор: небольшой, очень быстродействующий, надежный и потребляющий незначительную энергию. Именно транзисторы были основой первой системы с ИКМ типа Т1 (США).

К началу 60-х годов ХХ в. появилась и потребность в цифровых системах передачи (ЦСП). Она диктовалась непрерывным ростом числа телефонов и возрастанием нагрузки на кабельную сеть, в частности, в больших городах. В принципе эта проблема могла бы быть решена простым увеличением числа кабелей однако при этом потребовались бы колоссальные затраты на прокладку все новых и новых подземных кабельных коммуникаций.

Альтернативой этому решению явилось создание многоканальных систем передачи работающих по существующей кабельной сети и увеличивающей ее емкость на несколько порядков. Однако аналоговые системы передачи (АСП) с частотным разделением каналов (ЧРК) использовать оказалось практически невозможно, так как кабели телефонной сети (в России кабели типа Т, ТГ, ТПП и др.) рассчитаны на работу в низкочастотном диапазоне, а в области высоких частот характеризуются огромными переходными влияниями и высоким уровнем шумов.

Решить проблему создания многоканальных систем передачи, работающих по кабелям существующей телефонной сети, оказалось возможным только при помощи ЦСП с ИКМ. Первым участком сети, на которых начиналось внедрение систем передачи с ИКМ во всех странах мира, явились соединительные линии между городскими автоматическими телефонными станциями (АТС). Первая система Т1 оказалась очень удачной и получила применение во всех странах мира и представляет собой прототип современных ЦСП с ИКМ.

Внедрение систем с ИКМ на межстанционных соединительных линиях было поворотным моментом во внедрении цифровых методов передачи. С тех пор началась бурная “цифровизация” сетей связи на всех участках: местном, внутризоновом и магистральном. В промышленно развитых странах мира (Япония, Франция, США и др.) существующие сети связи являются полностью цифровыми. В России развитие сети связи также осуществляется только на основе ЦСП с ИКМ.

Как указывалось выше, первое поколение ЦСП с ИКМ разрабатывалось, в основном, для передачи в цифровом виде телефонных сигналов. Однако, к концу ХХ в. цифровые системы первого поколения оказались малоприспособленными для создания многофункциональных цифровых сетей, позволяющих предоставлять пользователям самых широких видов услуг, кроме цифровых телефонных каналов, включающих в себя: каналы звукового вещания, цифрового телевидения, передачи данных, факсимильные каналы, видеотелефон, организация видеоконференций и других, например, в рамках цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN – Integrated Services Digital) или широкополосной B-ISDN (Broadband ISDN).

Поэтому международным союзом электросвязи (Секция телекоммуникаций – МСЭ-Т) или ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication) было принято решение о создании ЦСП с ИКМ следующего поколения, названных системами передачи SDH, в отличие от ЦСП первого поколения, названных системами передачи PDH. Первый пакет стандартов, регламентирующий принципы построения телекоммуникационных систем SDH, был принят ITU-I в 1988 г. С тех пор эти стандарты неоднократно уточнялись и изменялись, а их основой являлась американская система передачи типа “Sonet” (Synchronous Optical Network), развернутая к тому времени на сети связи США. Технологической основой систем SDH являются волоконно-оптические линии связи и системы передачи (ВОЛС и ВОСП), осуществляющие передачу цифровых сигналов в оптическом диапазоне. Цифровые сигналы SDH низших порядков могут передаваться в виде электрических сигналов по цифровым радио-релейным линиям связи (ЦРРЛ) и спутниковым каналам. Теоретической и практической базой создания систем SDH являлись два фактора: создание источников света в виде лазеров с высокой эффективностью, основанных на открытии лазерного излучения, сделанным в 1962 г. Н. Г. Басовым, А. М. Прохоровым (Россия) и относительно дешевых оптических кабелей с малым затуханием. Дальнейший материал книги посвящен изучению принципов построения телекоммуникационных систем PDH и SDH.