Перший трансатлантичний кабель

Технології 03 липня 2022 Перегляди: 123

150 років тому, 16 серпня 1858 року, президент Сполучених Штатів Джеймс Б’юкенен отримав від королеви Вікторії вітальну телеграму і відправив їй відповідне послання. Перший офіційний обмін повідомленнями щодо нещодавно прокладеного трансатлантичного телеграфного кабелю був відзначений парадом і феєрверком над нью-йоркською ратушею. Святкування були затьмарені пожежею, а через 6 тижнів кабель вийшов з ладу. Правда, і до цього працював він не дуже добре — послання королеви передавалося протягом 16,5 години.

Від ідеї до проекту

Перша пропозиція, що стосується телеграфу і Атлантичного океану, являла собою ретрансляційну схему, в якій повідомлення, що доставляються кораблями, повинні були розсилатися телеграфом з Ньюфаундленду в іншу частину Північної Америки. Проблемою було будівництво телеграфної лінії по складному рельєфу острова.

Звернення за допомогою інженера, що відповідає за проект, залучило згодом став незамінним для проекту трансатлантичного кабелю американського бізнесмена і фінансиста Сайруса Філда. Під час роботи він перетнув океан понад 30 разів. Незважаючи на невдачі, з якими зіткнувся Філд, його ентузіазм привів до успіху.

Бізнесмен негайно вхопився за ідею трансатлантичної телеграфної передачі. На відміну від наземних систем, в яких імпульси регенерувалися реле, трансокеанська лінія повинна була обійтися одним кабелем. Філд отримав запевнення в можливості передачі сигналу на великі відстані від Самуеля Морзе і Майкла Фарадея.

Вільям Томпсон дав цьому теоретичне обґрунтування, в 1855 р. опублікувавши закон зворотних квадратів. Час наростання імпульсу, що проходить через кабель без індуктивного навантаження, визначається постійною часом RC провідника довжиною L, рівною rcL², де r і с — опір і ємність на одиницю довжини відповідно. Томсон також зробив внесок у технологію роботи підводного кабелю. Він удосконалив дзеркальний гальванометр, в якому найменші відхилення дзеркала, викликані струмом, посилювалися проекцією на екран. Пізніше він винайшов пристрій, що реєструє сигнали чорнилом на папері.

Технологія підводних кабелів була вдосконалена після появи в 1843 році в Англії гутаперчі. Ця смола дерева, що росте на Малайському півострові, являла собою ідеальний ізолятор, оскільки була термопластичною, пом’якшувалася при нагріванні і поверталася в тверду форму після охолодження, полегшуючи ізоляцію провідників. В умовах тиску і температури на дні океану її ізоляційні властивості поліпшувалися. Гутаперча залишалася основним матеріалом ізоляції підводних кабелів до відкриття поліетилену в 1933 році.

Проекти Філда

Сайрус Філд очолював 2 проекти, перший з яких зазнав невдачі, а другий завершився успіхом. В обох випадках кабелі складалися з одного 7-житлового дроту, оточеного гутаперчею і броньованого сталевим дротом. Захист від корозії забезпечувала просмолена пенька. Морська миля кабелю зразка 1858 р. важила 907 кг. Трансатлантичний кабель 1866 р. був важчим, 1622 кг/миля, але оскільки його об’єм був більшим, то у воді він важив менше. Міцність на розтягнення становила 3 т і 7,5 т відповідно.

Всі кабелі мали один провідник з поверненням по воді. Хоча у морської води опір менший, вона піддається блукаючим струмам. Харчування здійснювалося за допомогою хімічних джерел струму. Наприклад, проект 1858 р. мав 70 елементів по 1,1 В кожен. Ці рівні напруги в поєднанні з неправильним і необережним зберіганням призвели до виходу глибоководного трансатлантичного кабелю з ладу. Застосування дзеркального гальванометра дозволило в наступних лініях використовувати більш низькі напруги. Оскільки опір становив приблизно 3 Ом на морську милю, при відстані 2000 миль могли проводитися струми близько мільйампера, достатні для дзеркального гальванометра. У 1860 роках був введений біполярний телеграфний код. Точки і штрихи коду Морзе були замінені імпульсами протилежної полярності. З часом були розроблені більш складні схеми.

Експедиції 1857-58 і 65-66 рр.

Для прокладання першого трансатлантичного кабелю шляхом випуску акцій було зібрано 350 000 фунтів стерлінгів. Американський і британський уряди гарантували повернення інвестицій. Перша спроба була зроблена в 1857 р. Для перевезення кабелю знадобилися 2 пароплава, «Агамемнон» і «Ніагара». Електрики схвалили спосіб, при якому один корабель укладав лінію з берегової станції з подальшим з’єднанням другого кінця з кабелем на іншому судні. Перевага полягала в тому, що при цьому зберігався безперервний електричний зв’язок з берегом. Перша спроба закінчилася невдачею, коли на відстані 200 миль від берега вийшло з ладу обладнання для укладання кабелю. Він був втрачений на глибині 3,7 км.

У 1857 році головним інженером «Ніагари» Вільямом Евереттом було розроблено нове обладнання для укладання кабелю. Помітним поліпшенням стало автоматичне гальмо, яке спрацьовувало, коли натягання досягало певного порогу.

Після сильного шторму, який мало не потопив «Агамемнон», кораблі зустрілися посеред океану і 25 червня 1858 р. почали прокладати трансатлантичний кабель знову. «Ніагара» рухалася на захід, а «Агамемнон» — на схід. Було зроблено 2 спроби, перервані пошкодженням кабелю. Кораблі повернулися до Ірландії за його заміною.

17 липня флот знову вирушив на зустріч один з одним. Після незначних збоїв операція пройшла успішно. Йдучи з постійною швидкістю в 5-6 вузлів, 4 серпня «Ніагара» увійшла в Трініті-Бей о. Ньюфаундленд. Того ж дня «Агамемнон» прибув до Бухти Валентія в Ірландії. Королева Вікторія відправила описане вище перше вітальне повідомлення.

Експедиція 1865 р. завершилася невдачею в 600 милях від Ньюфаундленду, і тільки спроба в 1866 р. була успішною. Перше повідомлення по новій лінії було відправлено з Ванкувера в Лондон 31 липня 1866 р. Крім того, був знайдений кінець кабелю, втраченого в 1865 р., і лінія була також успішно завершена. Швидкість передачі склала 6-8 слів на хвилину при вартості 10 $/слово.

Телефонний зв’язок

У 1919 р. американська компанія AT&T ініціювала дослідження можливості прокладання трансатлантичного телефонного кабелю. У 1921 р. була прокладена глибоководна телефонна лінія між Кі-Вестом і Гаваною.

У 1928 р. було запропоновано прокласти кабель без повторювачів з єдиним голосовим каналом через Атлантичний океан. Висока вартість проекту (15 млн $) в розпал Великої депресії, а також удосконалення в області радіотехнологій перервали проект.

До початку 1930 років розвиток електроніки дозволив створити підводну кабельну систему з повторювачами. Вимоги до конструкції проміжних підсилювачів лінії зв’язку були безпрецедентними, оскільки пристрої повинні були безперебійно працювати на дні океану протягом 20 років. До надійності компонентів, зокрема електронних ламп, висувалися суворі вимоги. У 1932 р. вже були електролампи, які успішно пройшли випробування протягом 18 років. Радіотехнічні елементи значно поступалися кращим зразкам, але були дуже надійними. У підсумку TAT-1 пропрацювала 22 роки, і жодна лампа не вийшла з ладу.

Ще одну проблему становило укладання підсилювачів у відкритому морі на глибині до 4 км. При зупинці корабля для скидання повторювача на кабелі зі спіральною бронею можуть з’явитися перегини. У результаті було використано гнучкий підсилювач, який міг укладатися обладнанням, призначеним для телеграфного кабелю. Однак фізичні обмеження гнучкого ретранслятора обмежували його пропускну здатність 4-проводовою системою.

Пошта Британії розробила альтернативний підхід з жорсткими ретрансляторами набагато більшого діаметру і пропускною здатністю.

Реалізація TAT-1

Проект відновили після Другої світової війни. У 1950 році гнучка технологія підсилювача була протестована системою, що зв’язує Кі-Вест і Гавану. Влітку 1955 і 1956 р. перший трансатлантичний телефонний кабель був прокладений між Обаном в Шотландії і Кларенвіллем на о. Ньюфаундленд, значно північніше існуючих телеграфних ліній. Кожен кабель мав довжину близько 1950 морських миль і налічував 51 повторювач. Їх число визначалося максимальною напругою на клемах, яка могла б використовуватися для харчування, не впливаючи на надійність високовольтних компонентів. Напруга становила + 2000 В на одному кінці і -2000 В на іншому. Смуга пропускання системи, в свою чергу, визначалася кількістю повторювачів.

На додаток до повторювачів було встановлено 8 підводних зрівнювачів на східно-західній лінії та 6 на західно-східній. Вони коригували накопичені зрушення в смузі частот. Хоча загальні втрати в смузі пропускання 144 кГц становила 2100 дБ, використання зрівнювачів і повторювачів скоротило це значення до менше 1 дБ.

Початок роботи TAT-1

У перші 24 год після запуску 25 вересня 1956 р. було зроблено 588 дзвінків з Лондона і США і 119 з Лондона до Канади. TAT-1 відразу потроїла пропускну здатність трансатлантичної мережі. Смуга частот кабелю становила 20-164 кГц що дозволяло мати 36 голосових каналів (по 4 кГц), 6 з яких були розділені між Лондоном і Монреалем і 29 — між Лондоном і Нью-Йорком. Один канал призначався для телеграфу і сервісного обслуговування.

Система також включала наземний зв’язок через Ньюфаундленд і підводний з Новою Шотландією. Ці дві лінії складалися з одного кабелю довжиною 271 морських миль з 14 жорсткими репітерами, спроектованими поштою Великобританії. Загальна ємність склала 60 голосових каналів, 24 з яких пов’язували Ньюфаундленд і Нову Шотландію.

Подальші удосконалення TAT-1

Лінія TAT-1 обійшлася в 42 млн доларів США. Ціна в 1 млн $ за канал стимулювала розробку термінального обладнання, яке б використовувало пропускну здатність більш ефективно. Кількість голосових каналів у стандартному діапазоні частот 48 кГц було збільшено з 12 до 16 шляхом скорочення їх ширини з 4 до 3 кГц. Іншою інновацією була тимчасова інтерполяція мови (TASI), розроблена в Bell Labs. TASI дозволила подвоїти кількість голосових ланцюгів завдяки паузам у промові.

Оптичні системи

Перший трансокеанський оптичний кабель TAT-8 вступив у стрій в 1988 р. Повторювачі регенерували імпульси шляхом перетворення оптичних сигналів в електричні і назад. Дві робочі пари волокон працювали зі швидкістю 280 Мбіт/с. У 1989 р. завдяки цьому трансатлантичному інтернет-кабелю компанія IBM погодилася фінансувати лінію рівня T1 між Корнуельським університетом і ЦЕРН, що значно поліпшило зв’язок між американською та європейською частинами раннього Інтернету.

До 1993 р. у всьому світі експлуатувалося понад 125 тис. км TAT-8. Ця цифра майже відповідала загальній довжині аналогових підводних кабелів. У 1992 р. вступила в дію TAT-9. Швидкість на волокно була збільшена до 580 Мбіт/с.

Технологічний прорив

Наприкінці 1990 року розвиток оптичних підсилювачів, легованих ербієм, призвів до квантового стрибка як підводних кабельних систем. Світлові сигнали з довжиною хвилі близько 1,55 мкм стало можливим посилювати безпосередньо, і пропускна здатність перестала обмежуватися швидкістю електроніки. Першою оптично посиленою системою, проведеною через Атлантичний океан, була TAT 12/13 1996 року. Швидкість передачі на кожній з двох пар волокон склала 5 Гбіт/с.

Сучасні оптичні системи дозволяють передавати такі великі обсяги даних, що надлишковість має вирішальне значення. Як правило, сучасні волоконно-оптичні кабелі, такі як TAT-14, складаються з 2-х окремих трансатлантичних кабелів, які є частиною кільцевої топології. Дві інші лінії з’єднують берегові станції з кожного боку Атлантичного океану. Дані направляються по кільцю в обох напрямках. У разі обриву кільце самовідновлюється. Трафік переводиться на запасні пари волокон в робочих кабелях.