150 лет назад, 16 августа 1858 года, президент Соединенных Штатов Джеймс Бьюкенен получил от королевы Виктории поздравительную телеграмму и отправил ей ответное послание. Первый официальный обмен сообщениями по недавно проложенному трансатлантическому телеграфному кабелю был отмечен парадом и фейерверком над нью-йоркской ратушей. Празднества были омрачены случившимся по этой причине пожаром, а через 6 недель кабель вышел из строя. Правда, и до этого работал он не очень хорошо – послание королевы передавалось в течение 16,5 часа.
От идеи до проекта
Первое предложение, касающееся телеграфа и Атлантического океана, представляло собой ретрансляционную схему, в которой сообщения, доставляемые кораблями, должны были рассылаться телеграфом из Ньюфаундленда в остальную часть Северной Америки. Проблемой являлось строительство телеграфной линии по сложному рельефу острова.
Обращение за помощью инженера, отвечающего за проект, привлекло впоследствии ставшего незаменимым для проекта трансатлантического кабеля американского бизнесмена и финансиста Сайруса Филда. В ходе работы он пересек океан более 30 раз. Несмотря на неудачи, с которыми столкнулся Филд, его энтузиазм привел к успеху.
Бизнесмен немедленно ухватился за идею трансатлантической телеграфной передачи. В отличие от наземных систем, в которых импульсы регенерировались реле, трансокеанская линия должна была обойтись одним кабелем. Филд получил заверения в возможности передачи сигнала на большие расстояния от Самуэля Морзе и Майкла Фарадея.
Уильям Томпсон дал этому теоретическое обоснование, в 1855 г. опубликовав закон обратных квадратов. Время нарастания импульса, проходящего через кабель без индуктивной нагрузки, определяется постоянной времени RC проводника длиной L, равной rcL2, где r и с – сопротивление и емкость на единицу длины соответственно. Томсон также внес вклад в технологию работы подводного кабеля. Он усовершенствовал зеркальный гальванометр, в котором малейшие отклонения зеркала, вызванные током, усиливались проекцией на экран. Позже он изобрел устройство, регистрирующее сигналы чернилами на бумаге.
Технология подводных кабелей была усовершенствована после появления в 1843 году в Англии гуттаперчи. Эта смола дерева, произрастающего на Малайском полуострове, представляла собой идеальный изолятор, поскольку была термопластичной, смягчалась при нагреве и возвращалась в твердую форму после охлаждения, облегчая изоляцию проводников. В условиях давления и температуры на дне океана ее изоляционные свойства улучшались. Гуттаперча оставалась основным материалом изоляции подводных кабелей до открытия полиэтилена в 1933 году.
Проекты Филда
Сайрус Филд возглавлял 2 проекта, первый из которых потерпел неудачу, а второй завершился успехом. В обоих случаях кабели состояли из одного 7-жильного провода, окруженного гуттаперчей и бронированного стальной проволокой. Защиту от коррозии обеспечивала просмоленная пенька. Морская миля кабеля образца 1858 г. весила 907 кг. Трансатлантический кабель 1866 г. был тяжелее, 1622 кг/миля, но поскольку его объем был больше, то в воде он весил меньше. Прочность на растяжение составляла 3 т и 7,5 т соответственно.
Все кабели имели один проводник с возвратом по воде. Хотя у морской воды сопротивление меньше, она подвержена блуждающим токам. Питание осуществлялось с помощью химических источников тока. Например, проект 1858 г. имел 70 элементов по 1,1 В каждый. Эти уровни напряжения в сочетании с неправильным и неосторожным хранением привели к выходу глубоководного трансатлантического кабеля из строя. Применение зеркального гальванометра позволило в последующих линиях использовать более низкие напряжения. Поскольку сопротивление составляло приблизительно 3 Ом на морскую милю, при расстоянии 2000 миль могли проводиться токи порядка миллиампера, достаточные для зеркального гальванометра. В 1860 годах был введен биполярный телеграфный код. Точки и штрихи кода Морзе были заменены импульсами противоположной полярности. Со временем были разработаны более сложные схемы.
Экспедиции 1857-58 и 65-66 гг.
Для прокладки первого трансатлантического кабеля путем выпуска акций было собрано 350 000 фунтов стерлингов. Американское и британское правительства гарантировали возврат инвестиций. Первая попытка была предпринята в 1857 г. Для перевозки кабеля потребовались 2 парохода, «Агамемнон» и «Ниагара». Электрики одобрили способ, при котором один корабль укладывал линию с береговой станции с последующим соединением второго конца с кабелем на другом судне. Преимущество заключалось в том, что при этом сохранялась непрерывная электрическая связь с берегом. Первая попытка закончилась неудачей, когда на расстоянии 200 миль от берега вышло из строя оборудование для укладки кабеля. Он был потерян на глубине 3,7 км.
В 1857 году главным инженером «Ниагары» Уильямом Эвереттом было разработано новое оборудование для укладки кабеля. Заметным улучшением стал автоматический тормоз, который срабатывал, когда натяжение достигало определенного порога.
После сильного шторма, который чуть не потопил «Агамемнон», корабли встретились посреди океана и 25 июня 1858 г. начали прокладывать трансатлантический кабель снова. «Ниагара» двигалась на запад, а «Агамемнон» – на восток. Было сделано 2 попытки, прерванные повреждением кабеля. Корабли вернулись в Ирландию за его заменой.
17 июля флот снова отправился на встречу друг с другом. После незначительных сбоев операция прошла успешно. Идя с постоянной скоростью в 5–6 узлов, 4 августа «Ниагара» вошла в Тринити-Бэй о. Ньюфаундленд. В тот же день «Агамемнон» прибыл в Бухту Валентия в Ирландии. Королева Виктория отправила описанное выше первое приветственное сообщение.
Экспедиция 1865 г. завершилась неудачей в 600 милях от Ньюфаундленда, и только попытка в 1866 г. была успешной. Первое сообщение по новой линии было отправлено из Ванкувера в Лондон 31 июля 1866 г. Кроме того, был найден конец кабеля, потерянного в 1865 г., и линия была также успешно завершена. Скорость передачи составила 6-8 слов в минуту при стоимости 10$/слово.
Телефонная связь
В 1919 г. американская компания AT&T инициировала исследование возможности прокладки трансатлантического телефонного кабеля. В 1921 г. была проложена глубоководная телефонная линия между Ки-Уэстом и Гаваной.
В 1928 г. было предложено проложить кабель без повторителей с единственным голосовым каналом через Атлантический океан. Высокая стоимость проекта (15 млн $) в разгар Великой депрессии, а также усовершенствования в области радиотехнологий прервали проект.
К началу 1930 годов развитие электроники позволило создать подводную кабельную систему с повторителями. Требования к конструкции промежуточных усилителей линии связи были беспрецедентными, поскольку устройства должны были бесперебойно работать на дне океана в течение 20 лет. К надежности компонентов, в частности электронных ламп, предъявлялись строгие требования. В 1932 г. уже были электролампы, которые успешно прошли испытание в течение 18 лет. Использовавшиеся радиотехнические элементы значительно уступали лучшим образцам, но были очень надежными. В итоге ТАТ-1 проработала 22 года, и ни одна лампа не вышла из строя.
Еще одну проблему представляла укладка усилителей в открытом море на глубине до 4 км. При остановке корабля для сброса повторителя на кабеле со спиральной броней могут появиться перегибы. В итоге был использован гибкий усилитель, который мог укладываться оборудованием, предназначенным для телеграфного кабеля. Однако физические ограничения гибкого ретранслятора ограничивали его пропускную способность 4-проводной системой.
Почта Британии разработала альтернативный подход с жесткими ретрансляторами гораздо большего диаметра и пропускной способностью.
Реализация TAT-1
Проект был возобновлен после Второй мировой войны. В 1950 году гибкая технология усилителя была протестирована системой, связывающей Ки-Уэст и Гавану. Летом 1955 и 1956 г. первый трансатлантический телефонный кабель был проложен между Обаном в Шотландии и Кларенвиллем на о. Ньюфаундленд, значительно севернее существующих телеграфных линий. Каждый кабель имел длину около 1950 морских миль и насчитывал 51 повторитель. Их число определялось максимальным напряжением на клеммах, которое могло бы использоваться для питания, не влияя на надежность высоковольтных компонентов. Напряжение составляло +2000 В на одном конце и -2000 В на другом. Полоса пропускания системы, в свою очередь, определялась количеством повторителей.
В дополнение к повторителям было установлено 8 подводных уравнителей на восточно-западной линии и 6 на западно-восточной. Они корректировали накопленные сдвиги в полосе частот. Хотя общие потери в полосе пропускания 144 кГц составляла 2100 дБ, использование уравнителей и повторителей сократило это значение до менее 1 дБ.
Начало работы TAT-1
В первые 24 ч после запуска 25 сентября 1956 г. было сделано 588 звонков из Лондона и США и 119 из Лондона в Канаду. ТАТ-1 сразу утроила пропускную способность трансатлантической сети. Полоса частот кабеля составляла 20–164 кГц что позволяло иметь 36 голосовых каналов (по 4 кГц), 6 из которых были разделены между Лондоном и Монреалем и 29 – между Лондоном и Нью-Йорком. Один канал предназначался для телеграфа и сервисного обслуживания.
Система также включала наземную связь через Ньюфаундленд и подводную с Новой Шотландией. Эти две линии состояли из одного кабеля длиной 271 морских миль с 14 жесткими репитерами, спроектированными почтой Великобритании. Общая емкость составила 60 голосовых каналов, 24 из которых связывали Ньюфаундленд и Новую Шотландию.
Дальнейшие усовершенствования TAT-1
Линия TAT-1 обошлась в 42 млн долларов США. Цена в 1 млн $ за канал стимулировала разработку терминального оборудования, которое бы использовало пропускную способность более эффективно. Количество голосовых каналов в стандартном диапазоне частот 48 кГц было увеличено с 12 до 16 путем сокращения их ширины с 4 до 3 кГц. Другой инновацией была временная интерполяция речи (TASI), разработанная в Bell Labs. TASI позволила удвоить количество голосовых цепей благодаря паузам в речи.
Оптические системы
Первый трансокеанский оптический кабель ТАТ-8 вступил в строй в 1988 г. Повторители регенерировали импульсы путем преобразования оптических сигналов в электрические и обратно. Две рабочие пары волокон работали со скоростью 280 Мбит/с. В 1989 г. благодаря этому трансатлантическому интернет-кабелю компания IBM согласилась финансировать линию уровня Т1 между Корнуэльским университетом и ЦЕРН, что значительно улучшило связь между американской и европейской частями раннего Интернета.
К 1993 г. во всем мире эксплуатировалось более 125 тыс. км TAT-8. Эта цифра почти соответствовала общей длине аналоговых подводных кабелей. В 1992 г. вступила в строй TAT-9. Скорость на волокно была увеличена до 580 Мбит/с.
Технологический прорыв
В конце 1990 годов развитие оптических усилителей, легированных эрбием, привело к квантовому скачку в качестве подводных кабельных систем. Световые сигналы с длиной волны около 1,55 мкм стало возможным усиливать напрямую, и пропускная способность перестала ограничиваться скоростью электроники. Первой оптически усиленной системой, проведенной через Атлантический океан, была TAT 12/13 в 1996 году. Скорость передачи на каждой из двух пар волокон составила 5 Гбит/с.
Современные оптические системы позволяют передавать такие большие объемы данных, что избыточность имеет решающее значение. Как правило, современные волоконно-оптические кабели, такие как TAT-14, состоят из 2-х отдельных трансатлантических кабелей, которые являются частью кольцевой топологии. Две другие линии соединяют береговые станции с каждой стороны Атлантического океана. Данные направляются по кольцу в обоих направлениях. В случае обрыва кольцо самовосстанавливается. Трафик переводится на запасные пары волокон в рабочих кабелях.
