Как работает дисковый телефон: импульсы и телефонная станция

Что происходит при повороте диска

Вставьте палец в отверстие с цифрой 5, поверните диск до металлического крючка и отпустите. Диск сам вернётся с тихим жужжанием. В это время телефон сообщает номер станции: внутренний переключатель пять раз прерывает ток линии. До станции доходят лишь пять коротких разрывов. Отдельного тона или кода для «5» нет. Станция считает.

Здесь можно проследить этот счёт от пальца до нужной линии. Сначала идут диск и упор, пружина и регулятор скорости возврата, импульсные контакты. Затем открывается остальной телефон: звонок, рычажный переключатель, угольный микрофон и телефонный капсюль. На дальнем конце провода показаны шесть способов найти вызываемую линию: телефонистка у коммутатора, шаговый искатель Strowger, координатный соединитель с маркером, электронная станция с записанной программой, цифровая станция с переносом разговора между временными интервалами и тональный приёмник, слушающий пары тонов вместо подсчёта разрывов.

Переключатель «Станция» меняет эти варианты. Телефон остаётся тем же, как и правило: первая цифра выбирает ряд из десяти линий, вторая одну линию в этом ряду. Телефон модели имеет номер 42, напечатанный на карточке в центре диска.

Почему импульсы идут только при возврате

Кажется естественным посылать импульс всякий раз, когда отверстие проходит контакт при повороте. Но рука вращает неравномерно. Импульсы сжимались бы или растягивались, и станция могла бы некоторые пропустить.

Номеронабиратель разделяет взвод и передачу. Поворот только заводит возвратную пружину. Лишь после отпускания пружина возвращает диск, а контакты открываются и закрываются. Учебная брошюра Post Office описывает это прямо: диск поворачивают до упора и дают ему свободно вернуться; при возврате импульсное колесо срабатывает столько раз, сколько соответствует цифре. Скорость больше не зависит от руки и задаётся на заводе.

При взводе контакты нужно удерживать неподвижными. В старом номеронабирателе Post Office это делает скользящий кулачок, прижатый пружинной шайбой к импульсному колесу. При взводе он выводит рычаг из выемок колеса. При возврате держит его поднятым ещё около 220 ms до первой выемки. Эта «минимальная пауза», или «холостой ход», вместе со временем взвода следующей цифры даёт минимум 420 ms между цифрами, чтобы искатели успели закончить движение.

Скользящий кулачок зависел от трения, которое меняется с возрастом. Поздняя конструкция заменила его спусковым рычажком из нержавеющей стали на импульсном колесе. Пауза выросла примерно до 240 ms, промежуток между цифрами до 440 ms. Появилась терпимость к неточности: верное число импульсов выходит даже при остановке на половину отверстия до упора или за ним.

Цифру определяет упор

Отверстия расположены равномерно, в модели через 30 градусов. Отверстие 1 ближе всего к упору, 0 дальше всего, поэтому большие цифры требуют большего поворота. Все отверстия заканчивают ход у одного упора: расстояние зависит только от выбранного отверстия. При возврате оно снова становится числом импульсов.

В модели отверстие проходит на один шаг больше числа посылаемых импульсов. Отверстие 3 поворачивается на 120 градусов: 90 градусов зубьев кулачка и 30 градусов свободного хода в конце возврата. На последнем участке линия некоторое время замкнута, позволяя станции отделить одну цифру от следующей.

На самом подвижном диске цифр нет. Они нанесены на неподвижную пластину снизу и видны через отверстия только в покое. На многих аппаратах рядом стояли буквы для набора названий станций. Стандарт ITU E.161 до сих пор помещает ABC на 2 и WXYZ на 9, поэтому буквы остаются на современных клавиатурах.

Десять импульсов в секунду в числах

Стандарт Post Office задаёт десять импульсов в секунду: 66,6 ms размыкания и 33,3 ms замыкания в каждом, то есть долю размыкания 66,6 процента. Модель округляет её до 66 процентов. Отсюда:

• период импульса = 1 / 10 s = 100 ms
• размыкание = 0,66 × 100 ms = 66 ms
• замыкание = 100 ms − 66 ms = 34 ms
• цифра 0 = 10 импульсов, от начала первого до конца последнего размыкания: 9 × 100 ms + 66 ms = 966 ms

Диск модели возвращается со скоростью 300 градусов в секунду: один зуб проходит каждые 30 градусов, а за секунду должны пройти десять. Нижняя лента рисует ток шлейфа по сетке 100 ms, строка под ней показывает последнее размыкание и замыкание. Модель измеряет их по собственному времени; при исходной настройке получаются 66 ms и 34 ms.

Реальные диски немного отклонялись от этих значений. Регулятор настраивали на 10 импульсов в секунду, при обслуживании Post Office допускала от 9 до 11. Ползунок частоты идёт дальше, от 3 до 14, а доля размыкания меняется от 50 до 80 процентов. Так можно выйти за пределы возможностей станции. Следующий раздел показывает результат.

Целый номер занимает время. Номер 999 даёт 27 импульсов, 2,6 секунды передачи и около 3,4 секунды с двумя межцифровыми паузами по 420 ms. Поле «Время набора» в лаборатории считает это для любого введённого номера.

Как станция понимает слишком быстрый или медленный диск

Станция не видит диск. Её реле на конце линии притягивается при наличии тока и отпускает при его исчезновении. Каждое отпускание считается импульсом. У реле есть свои временные пределы. Модель задаёт два простых ограничения, отмеченных как модельные, поскольку реальные станции различались по типу и стране:

1. Замыкание короче 25 ms не распознаётся. Реле не успевает снова притянуться, и размыкания по обе стороны сливаются в один длинный разрыв.
2. Размыкание дольше 200 ms считается отбоем. Второе, медленное реле удерживает вызов лишь при коротких разрывах; когда оно отпускает, станция разъединяет вызов.

При 14 импульсах в секунду и доле размыкания 66 процентов период равен 71,4 ms, размыкание 47,1 ms, замыкание 24,3 ms. Это чуть короче 25 ms, поэтому все разрывы после первого сливаются с ним. Набор 5 даёт 4 × 71,4 ms + 47,1 ms = 333 ms непрерывного разрыва, больше 200 ms, и линия освобождается. При 2 с той же скоростью получается 71,4 + 47,1 = 118,5 ms. Вызов сохраняется, но станция считает один импульс вместо двух.

В другую сторону, при 3 импульсах в секунду, период равен 333 ms, размыкание 0,66 × 333 ms = 220 ms. Уже первый импульс слишком длинен для удерживающего реле: вызов разъединяется до получения цифры. При 4 импульсах в секунду разрыв длится 165 ms, и модель считает верно, хотя реальная станция уже далеко за диапазоном Post Office от 9 до 11.

Два лабораторных задания предлагают намеренно вызвать оба сбоя. На ленте видны растянутые или сливающиеся разрывы тока, а строка состояния сообщает вывод станции.

Пружина, регулятор и кулачок внутри диска

Включите вид изнутри, и корпус станет прозрачным. За цифровой пластиной находятся детали, задающие время.

Плоская спиральная пружина заводится диском и возвращает его. Одна она вернула бы диск слишком быстро, особенно после длинного поворота. Центробежный регулятор тормозит движение. Его приводит шестерня главного вала; при вращении грузы на крыльях расходятся и прижимаются к внутренней стороне чашки. Трение ограничивает скорость. Поэтому при попытке ускорить возврат пальцем ощущается сопротивление. Обгонная муфта позволяет свободно вращать диск при взводе: регулятор тормозит только обратный ход.

В модели шестерня вала диска приводит малую шестерню, а та вращает чашку с двумя грузами. Кулачок движется вместе с диском. Его двенадцать зубьев расположены через 30 градусов, как отверстия: на каждый шаг отверстий приходится один зуб у контактов. При возврате каждый зуб раздвигает контакты один раз. Они включены последовательно с линией, поэтому размыкание прекращает ток во всём шлейфе до самой станции.

В реальных дисках есть и контакты начала хода, замыкающиеся сразу после выхода из покоя. Брошюра Post Office даёт две причины: сопротивление микрофона исключается из импульсной цепи, а импульсы не слышны щелчками в наушнике.

Набор рычагом

Импульсные контакты представляют собой обычный переключатель последовательно с линией. Рычажный переключатель под трубкой устроен в этом смысле так же. Нажатие размыкает шлейф, поэтому быстрое нажатие и отпускание станция считает одним импульсом.

Кнопка «Рычаг» в лаборатории делает именно это. Снимите трубку, быстро нажмите трижды и подождите. Пауза 0,4 секунды завершает цифру: после трёх нажатий модель считает 3 и поднимает искатель на три уровня. При долгом удержании размыкание превышает 200 ms; станция модели воспринимает его как отбой и разъединяет вызов. Рукой трудно удерживать каждое нажатие короче этого предела, а отпускание не короче 25 ms. Это одна из причин существования диска.

Остальные детали телефона

Диск общается только с переключателями станции. Включите вид изнутри и выберите другие детали в списке.

Звонок. Под корпусом находятся две чашки, молоточек и пара катушек. Станция посылает переменный ток; обзор Bell System 1965 года ещё упоминает аппараты со «стандартными звонками на 20 периодов». В модели якорь между катушками качается раз за период, молоточек ударяет чашки по очереди. Включите звонок, а затем замедление, чтобы увидеть движение в пять раз медленнее. Post Office Telephone No. 332 1937 года имел звонок в корпусе, а ранним настольным 162 и 232 требовался отдельный блок.

Рычажный переключатель. Два толкателя подставки находятся под трубкой. При снятии они поднимаются, пружинная группа замыкается, начинается ток шлейфа. Станция отвечает гудком готовности. В модели снятие во время звонка прекращает его: переключатель отключает звонок и подключает разговорную цепь.

Разговорная схема. Рядом с диском находятся индукционная катушка и конденсатор. Катушка соединяет микрофон и наушник с двумя проводами линии и не даёт собственному голосу звучать слишком громко. Конденсатор блокирует постоянный ток в звонке, пропуская переменный вызывной ток.

Угольный микрофон. За тонкой мембраной находится капсула с угольными зёрнами. Звук прижимает мембрану, зёрна уплотняются, сопротивление падает и постоянный ток растёт. Когда мембрана возвращается, сопротивление снова увеличивается. Ток линии меняется с давлением голоса. Thomas Edison подал заявку «Speaking-telegraph» 27 апреля 1877 года, но патент выдали лишь 3 мая 1892 года. В модели мембрана и зёрна движутся после ответа на вызов.

Телефонный капсюль. В наушнике происходит обратное преобразование. Кольцевой магнит постоянно тянет железную мембрану. Меняющийся ток проходит две малые катушки на полюсах, усиливая и ослабляя притяжение. Мембрана движется в такт току и двигает воздух перед ухом.

Подъёмно-поворотный искатель Strowger

Almon B. Strowger подал заявку на автоматическую телефонную станцию 12 марта 1889 года. Патент США 447,918 выдали 10 марта 1891 года. Первая автоматическая станция открылась в La Porte, Indiana, в 1892 году. Её предыстория необычна: в 1890 году Bell подала в суд на абонентов местной ручной станции за нарушение патентов. Суд велел отправить телефоны в Chicago и сжечь. Город оставался без связи около двух лет. Станция Strowger предложила место для 99 клиентов, 75 подключились. На рисунке станции показаны 80 искателей у одной стены и столько же жидкостных батарей у другой.

Основа конструкции представляет собой шаговый искатель с двумя движениями. Вал несёт контактную щётку внутри поля из десяти рядов по десять контактов. Импульсы одного магнита поднимают вал по рядам. Импульсы другого поворачивают его по контакту за импульс. Десять рядов по десять дают 100 вариантов. Собачка удерживает вал на каждом шаге. После разговора освобождающий магнит отпускает собачки. Пружина поворачивает вал в исходный угол, лишь затем он падает вниз.

В модели первая цифра поднимает вал. Сетка возле ленты показывает тот же подъём столбиком блоков. После первой цифры искатель ждёт. Вторая включает поворотный магнит, щётка движется по ряду. Набор 3 и затем 0 оставляет её на уровне 3, контакте 10, то есть линии 30. При вызове оранжевый огонёк этого контакта мигает.

Искатель La Porte быстро менялся. Осенью 1894 года компания заменила его системой Zither конструкции A. E. Keith, работавшей плохо. В июне 1895 года появилась третья конструкция Keith и братьев John и Charles Erickson. Она стала основой искателей Strowger, применявшихся около 85 лет. Те же трое подали заявку «Calling device for telephone-exchanges» 20 августа 1896 года; патент выдали 11 января 1898 года.

От одного искателя к городской станции

Один искатель обслуживает 100 линий, чего хватало La Porte. На больших станциях перед конечным искателем ставили групповые. Каждая дополнительная цифра управляла групповым искателем, выбирающим блок линий, а последние две работали с конечным точно как в модели. Каждая новая ступень увеличивала число доступных линий в десять раз. Так шаговую станцию можно было расширять постепенно. Учебник Smith и Campbell Automatic Telephony (1921) объясняет выбор ста линий теми же словами: сначала десятки, затем единицы.

Первые автоматические телефоны не имели диска. Smith и Campbell описывают кнопки абонентских аппаратов, заменённые вызывным устройством в 1896 году. Bell System, строившая дело на телефонистках, пришла к шаговой системе позже: первая станция, установленная ею самой, заработала в Norfolk, Virginia, 8 ноября 1919 года. Её построила Automatic Electric Company. Собственный панельный искатель Western Electric заработал в Omaha в 1920 году.

До диска: ручной коммутатор

Выберите ручной коммутатор в настройке станции. Первая телефонная станция открылась 28 января 1878 года в New Haven, Connecticut. Все линии сходились в одном месте; появились первые телефонистки.

Каждая линия заканчивается гнездом с лампой. Снятие трубки зажигает её. Телефонистка вставляет ответный шнур, спрашивает номер, вставляет вызывной шнур той же пары в гнездо адресата и звонит. В модели лампа 42 мигает сразу после снятия трубки, красный штекер входит в гнездо 42 через 0,6 секунды, чёрный в набранную линию. Набор на ручном коммутаторе, конечно, условность: цифры заменяют номер, произнесённый вслух.

Лабораторное задание для этой сцены: абонент гнезда 2 хочет линию 5. Нужно самому вставить шнуры, начиная с вызывающего.

Первая телефонная линия Кореи открылась 2 октября 1896 года между Deoksugung Palace и управлением в Incheon. Encyclopedia of Korean Culture сообщает о ручном индукторном коммутаторе шведской LM Ericsson на 100 линий. Общедоступная связь началась 20 марта 1902 года с конторами в Mapo, Dodong, Siheung, Gyeonggyo и Incheon. Пять минут стоили 50 jeon с предоплатой и без возврата при досрочном завершении.

Координатная станция: маркер сначала читает весь номер

В шаговой системе импульсы абонента непосредственно двигают искатели. Это просто, но искатель занят всё время, пока человек набирает. Координатная станция сначала собирает цифры в регистре. Затем общий управляющий блок, маркер, ищет свободный путь и устанавливает его за один приём.

Сам соединитель представляет собой решётку: десять горизонтальных выбирающих планок пересекают десять вертикальных удерживающих. Маркер наклоняет одну выбирающую планку, затем включает удерживающий магнит вертикальной. Контакты пересечения замыкаются и удерживаются. Выбирающая планка возвращается и может обслужить другой вызов; удерживающая сохраняет первый. В модели первая цифра выбирает строку, вторая столбец, пересечение становится оранжевым.

Координатный соединитель родом из Швеции. История Ericsson сообщает, что G. A. Betulander и Nils Palmgren начали испытания такого искателя в 1919 году на станции, заказанной Televerket. Станция Sundsvall заработала в 1926 году, за следующие 20 лет Televerket построила более 1000 таких станций. Bell Laboratories переняла идею после поездки в Швецию в 1930 году. К 1938 году в New York работали две станции со звеньями и маркерами. Первый No. 5 Crossbar появился в Media, Pennsylvania, 11 июля 1948 года; Ericsson установила свою первую систему со звеньями в Helsinki в 1950 году.

Электронная коммутация: решает программа

Маркер уже представляет собой небольшой релейный компьютер. Следующим шагом стал настоящий компьютер. Абонентские испытания электронной станции на холоднокатодных лампах начались в Morris, Illinois, 17 ноября 1960 года. Первый No. 1 Electronic Switching System заработал в Succasunna, New Jersey, в мае 1965 года. Обзор Bell System Technical Journal 1965 года называет No. 1 ESS коммерческим преемником опыта Morris.

Выберите электронную коммутацию. Левая рама обозначает коммутационную сеть из стеклянных герконов, замыкающих разговорный путь. Верхний ряд ламп обозначает сканер, снова и снова проверяющий снятие трубок на линиях. Правая рама представляет память программы и данных. После снятия трубки сканер останавливается на линии 42. Цифры попадают в память и видны на малом экране. Когда обе получены, программа по очереди замыкает три пересечения герконной решётки и соединяет нужную линию.

Электронные станции принимали оба вида набора. Тот же обзор 1965 года описывает дисковые и тональные аппараты на одной линии и преобразование импульсов диска в тональные посылки, понятные управлению. Поэтому модель в этой сцене принимает и импульсы, и тональные клавиши.

В Корее M10CN установили в Yeongdong и Dangsan в декабре 1979 года, положив начало электронной коммутации.

Цифровая станция и временные интервалы

До сих пор каждая станция соединяла линии металлом: шнуром, щёткой, пересечением, герконом. Цифровая работает иначе. Она измеряет голос и превращает его в числа. ITU-T G.711 берёт 8000 отсчётов в секунду и кодирует каждый 8 битами: 8000 × 8 = 64 000 бит в секунду на разговор. Много разговоров делят один путь по очереди. По ITU-T G.732 поток 2048 kbit/s разделён на кадры по 125 микросекунд, в каждом 32 интервала по 8 бит: 32 × 8 × 8000 = 2 048 000 бит в секунду. Интервал 0 оставлен для синхронизации.

Соединить линии означает копировать байты из интервала вызывающего в интервал адресата, кадр за кадром. Диск модели показывает 32 интервала кадра, замедленного со 125 микросекунд до двух секунд на оборот. Интервал 0 тёмный. Снятие трубки делает интервал вызывающего синим, набор делает интервал адресата оранжевым. Малые кубики переносят байты от одного кодера через диск к другому.

Ericsson и Televerket совместно создали AXE в 1970-х годах, Western Electric установила первый местный No. 5 ESS в 1982 году. Корея создала собственную систему: институт, ныне ETRI, разработал станцию временного разделения TDX. Опытная установка открылась 25 апреля 1984 года, коммерческая работа началась 14 марта 1986 года. TDX-1 использовала сотни 8-битных Z-80, общавшихся между собой и работавших как один компьютер.

Тональный набор: два тона на клавишу

Импульсный набор медленный и работает лишь при установлении вызова. После соединения диску больше нечего передать. Тональный набор посылает звуки, способные пройти весь соединённый тракт.

Первые полевые испытания начались в Findlay, Ohio, 1 ноября 1960 года. Bell System ввела услугу 18 ноября 1963 года, первыми стали Carnegie и Greensburg, Pennsylvania. Пользователи доплачивали $1,50 в месяц за новые телефоны. Сначала было десять кнопок; звёздочка и решётка появились примерно через пять лет.

Каждая клавиша посылает два тона одновременно, один из низкой группы и один из высокой. ITU-T Q.23 задаёт частоты:

Поэтому 5 сочетает 770 Hz и 1336 Hz, а 0 сочетает 941 Hz и 1336 Hz. Четвёртый столбец 1633 Hz несёт четыре дополнительные клавиши A–D, обычно отсутствующие дома. Отдельная рекомендация Q.24 задаёт распознавание пар приёмником. В модели есть фильтр для каждой из восьми частот. Цифра принимается, лишь когда откликаются ровно один низкий и один высокий фильтр. Голос или свист редко дают такую пару; ни один тон не близок к целому кратному другого, поэтому гармоники не попадают на второй тон.

Выберите тональную сигнализацию и нажимайте клавиши модели или лаборатории. Со звуком слышны пары; столбики приёмника показывают два откликнувшихся фильтра, регистр сохраняет цифры. В старых сценах станции считают только импульсы и игнорируют тоны, как шаговая станция без тонального приёмника.

Телефоны, которые служили долго

Форма телефонов менялась реже, чем станции, некоторые конструкции оставались десятилетиями. Несколько датированных примеров:

• Настольный Post Office No. 162 появился в 1929 году с отдельным блоком звонка.
• No. 232 последовал в 1934 году. Экземпляр цвета слоновой кости в Science Museum Group показывает, почему стали доступны цвета: карбамидные пластмассы смешивали с пигментами.
• No. 332 появился 14 июня 1937 года со звонком внутри. Для ручных станций ставили глухую пластину вместо диска; при автоматизации устанавливали диск. Science Museum Group хранит чёрный 332, изготовленный в Англии в 1938 году.
• Бакелитовый Ericsson DBH 1001 1931 года создали совместно Elektrisk Bureau из Oslo, LM Ericsson и Televerket. Cooper Hewitt описывает его как конструкцию, задавшую форму пластмассового телефона.
• Ericofon объединил диск и трубку. После опытной серии 1954 года в Karlskrona с 1956 по 1982 год изготовили более 2,5 миллиона штук, в 30 цветах, но не в чёрном. Лишь около 20 процентов поступило в Швецию.

Телефон модели не копирует какой-либо один из них. У него наклонная передняя часть и бакелитовый корпус аппаратов 1930-х годов со встроенным звонком.

Станции Кореи от дворцовой линии до TDX

Корейские записи дают последовательные даты для каждого типа станции в модели:

1. 1896: дворцовая линия через индукторный коммутатор Ericsson на 100 линий.
2. 1902: общедоступные конторы и местная коммутация Hanseong с 6 июня, на коммутаторах на 10 и 50 линий.
3. 1908: коммутаторы центральной батареи в почтамте Gyeongseong после исчерпания ёмкости индукторного.
4. 1935: первая автоматическая станция Siemens Strowger типа F в почтамте Najin в марте, NEC Strowger типа A в центральной Gyeongseong в октябре.
5. 1960: станция EMD в Yongsan в августе.
6. 1962: в декабре Strowger на 300 линий корейской разработки в центральной Seoul.
7. 1979: электронные M10CN в Yeongdong и Dangsan в декабре.
8. 1983: последние ручные станции центральной батареи закрыты 22 декабря.
9. 1986: коммерческая TDX с 14 марта.

National Archives of Korea отмечает достижение 10 миллионов телефонных линий в 1987 году, примерно по одной на домохозяйство. В 1993 году число превысило 20 миллионов.

Гудки и звонок в модели

Снятие трубки замыкает шлейф. Ток течёт, кривая на ленте поднимается. Со звуком модель воспроизводит американский гудок готовности из списка ITU-T: непрерывное сочетание 350 Hz и 440 Hz. Первый разрыв прекращает его. После второй цифры вызывающий слышит контроль вызова, 440 Hz плюс 480 Hz, две секунды звука и четыре паузы. Через шесть секунд адресат отвечает, гудок прекращается, микрофон трубки начинает двигаться. Звук появляется только после включения.

Регулятор «Звонок» делает обратное: вызывает этот телефон. Модель посылает вызывной ток 20 Hz с тем же ритмом две секунды тока, четыре паузы. Молоточек качается между чашками; со звуком слышен звонок. Снятие трубки отвечает на вызов.

«Путь вызова» рисует тонкую оранжевую линию от телефона через напольный шнур к выбранной станции. По ней движется точка до достигнутого этапа: до станции при снятии трубки, дальше с каждой цифрой и до адресата при вызове. Лаборатория показывает тот же маршрут рядом подписанных этапов.

Отличия модели от настоящего телефона

• Телефон напрямую подключён к одному искателю на 100 линий или его условному аналогу. Реальная станция достигает конечного искателя через предыскатели и групповые искатели, а координатная через соединительные звенья.
• Реальные искатели имеют три контактных поля одно над другим для разных проводов линии. У модели одно.
• Минимум 25 ms замыкания и максимум 200 ms размыкания являются округлёнными модельными пределами. Реальные зависели от типа станции и страны.
• Диск движется с идеальной постоянной скоростью. Реальные регуляторы требовали очистки и настройки при износе.
• Передаточное отношение регулятора, размер кулачка и число витков выбраны для наглядности, а не скопированы с чертежа.
• Звонок, разговорная схема, микрофон и наушник упрощены. Координатная, электронная и цифровая сцены показывают идею, не всю станцию: один соединитель, маркер, герконную решётку, кадр временных интервалов.
• Подсчёт следует обычному коду: цифра n даёт n импульсов, 0 десять.