...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

Телеграфный код Морзе показан на рисунке. Его можно представить в знакомой нам двоичной форме. Для этого точку обозначим 1, тире 111. Символ 0 будем использовать как элемент, отделяющий точку от тире, точку от точки, тире от тире.
Совокупность символов 000 будем применять для отделения одной кодовой комбинации от другой. В таких обозначениях слово ОМЕГА, которое мы передавали по факельному телеграфу, будет иметь следующую двоичную запись кода Морзе:
Колы, в которых различным буквам соответствуют кодовые комбинации с неодинаковым (неравным) числом разрядов (битов), называются неравномерными. Код Морзе относится к таким неравномерным кодам.
В электрическом телеграфе, так же как и в факельном, передаче подлежат буквы или какие-нибудь другие знаки. Эти буквы и знаки являются сообщениями. С помощью каких же материальных носителей сообщения переносятся в пространстве?
Если в факельном телеграфе в качестве материального носителя используется свет горящих факелов (т. е. электромагнитное излучение с длиной волны в несколько микрон), то в электрическом телеграфе материальным носителем сообщений стал электрический ток.
Самюэл Морзе публично продемонстрировал свою конструкцию электрического телеграфа 4 сентября 1837 г. в здании Нью-Йоркского университета. Принцип действия этого аппарата теперь знает, наверное, каждый школьник. На передающей стороне Морзе использовал телеграфный ключ, изобретенный ранее русским ученым, академиком Петербургской академии наук Б.С. Якоби, а на приемной стороне — электромагнит. При нажатии на ключ замыкалась электрическая цепь, соединенная с приемной станцией, и в цепи начинал протекать ток. В приемнике под его действием срабатывал электромагнит: он притягивал якорь с пишущим механизмом (карандашом или красящим колесиком) к равномерно протягиваемой бумажной ленте. Если ключ нажимали в течение короткого времени, то на ленте появлялась точка, если немного дольше — тире.
Обратите внимание на то, что ток в цепи (или в линии связи) имел в результате форму импульсов: коротких — при передаче точки, длинных — при передаче тире. Таким образом совершилось чудесное превращение: двоичные цифры 0 и 1 превратились в импульсы электрического тока, причем наличию импульса определенной длительности соответствует цифра 1, а отсутствию импульса — цифра 0. Такая материализация сообщения позволяет использовать для его хранения, передачи и обработки мощнейший арсенал средств электроники и радиотехники.
Неравномерный код Морзе очень трудно было использовать для создания буквопечатающих телеграфных аппаратов. Поэтому французский механик Жан М.Э. Бодо предложил в 1874 г. равномерный код, в котором каждая буква и знак представлялись 5-разрядным двоичным кодом (подобным тому, какой мы с вами применили в факельном телеграфе). Напомним, что 5-разрядный двоичный код позволяет перевести в набор цифр 0 и 1 только 25 = 32 буквы или знака. В русском алфавите как раз 33 буквы, но ведь надо еще обеспечить передачу десяти цифр, а также знаков препинания.
В 1855 г. американский физик Дейвид Юз предложил оригинальную идею, позволяющую оставить число разрядов в кодовой комбинации равным пяти и в то же время значительно увеличить число кодируемых знаков.
Он разделил все знаки сообщения на группы — регистры — подобно тому, как это сделано в современных пишущих машинках. Чтобы напечатать, например, заглавную букву, нужно предварительно нажать на соответствующую клавишу — каретка приподнимется и отпечатает заглавную букву, расположенную на литере выше строчной.
Код Бодо с введением регистров был положен в основу всех кодов, принятых в дальнейшем в качестве международных. На приведенном рисунке показан вариант 5-разрядного двоичного международного кода МТК-2, введенного в действие с 1932 г.
В этом коде знакомое нам слово ОМЕГА будет выглядеть так:
Однако при обмене сообщениями между ЭВМ 5-разрядного двоичного кода даже с тремя регистрами оказалось недостаточно, поскольку он позволяет перевести в двоичные цифры 0 и 1 около 90 букв, цифр и знаков, в то время как требуется более 200 знаков и символов (в их числе и специальных математических знаков и символов, понятных ЭВМ). В результате в 1966 г. был разработан 7-разрядный двоичный международный код МТК-5, позволяющий перевести в цифры 0 и 1 размещенные в двух регистрах 256 прописных и строчных букв русского и латинского алфавитов, цифры, знаки препинания и специальные символы. Вот как в этом коде записывается слово ОМЕГА:
Три последних разряда, одинаковые для всех букв, означают код регистра, который в данном случае показывает, что все буквы расположены в русском регистре. По коду регистра каретка печатающей машинки на приемной стороне устанавливается в соответствующее положение, при котором бумаги коснется литера нужной буквы.
Современный телеграфный аппарат, предназначенный для перевода букв, цифр и знаков сначала в последовательность цифр 0 и 1, а затем в последовательность импульсов электрического тока, конечно, значительно отличается от аппарата Морзе. Он имеет клавиатуру типа пишущей машинки и может печатать буквы на бумажной ленте или непосредственно на листе бумаги, намотанной на рулон.
Чтобы понять, каким образом буква или знак в современном аппарате преобразуется в 5-разрядный двоичный код, нужно представить себе пять таких же ключей, как в аппарате Морзе. Замкнутому положению ключа соответствует 1, разомкнутому — 0. Нажатие клавиши, скажем, с буквой М приводит к замыканию одних ключей и размыканию других в соответствии с двоичным кодом этой буквы: 00111. Специальный распределительный механизм поочередно подключает ключи к линии, и в ней либо появляется импульс тока, если ключ был замкнут (передача цифры 1), либо он отсутствует, если ключ был разомкнут (передача цифры 0).
Для декодирования приходящей с линии двоичной комбинации нужен электромагнит, который притянет якорь (т. е. зарегистрирует 1), если из линии поступил импульс, или оставит якорь в прежнем положении (т. е. зарегистрирует 0), если импульс в линии отсутствует. С помощью специального сложного электромеханического устройства каждые пять колебаний якоря (по числу цифр 0 и 1 в 5-разрядном двоичном кодовом слове) фиксируются и на основании набранной комбинации печатается та или иная буква.
У читателя могут возникнуть вопросы: как ориентироваться в таком многообразии двоичных кодов и какой из них выбрать?
Частично мы затрагивали этот вопрос, когда обсуждали проекты факельного телеграфа. В теории кодирования, а это сравнительно новый и достаточно сложный раздел математики, разработано множество двоичных кодов, выполняющих различные функции. Так, существуют коды, которые дают возможность обнаружить ошибку, возникшую в принятой комбинации из-за воздействия в линии связи помех, а также коды, позволяющие не только обнаружить, но даже исправить ошибочно принятый символ. Разработчик сложной аппаратуры цифровой связи должен знать возможности кодов и уметь выбирать нужный код.
Мы не будем останавливаться подробно на этих кодах и выяснять, каким образом удается обнаруживать и даже исправлять ошибку без участия человека. Об этом пойдет разговор позже. Сейчас же мы задержимся на одном весьма любопытном способе кодирования сообщений.