Джордж Эшли Кэмпбелл (27 ноября 1870 г. – 10 ноября 1954 г.) был американским инженером. Он был пионером в разработке и применении количественных математических методов к проблемам дальней телеграфии и телефонии. Его наиболее важным вкладом была теория и реализация использования нагрузочных катушек и первых волновых фильтров, разработанных для того, что стало известно как метод изображения . Оба эти направления работы привели к важным экономическим преимуществам для Американской телефонной и телеграфной компании (AT&T).
Кэмпбелл получил образование в Институте Макколлома в Нью-Гемпшире, а затем в Массачусетском технологическом институте , который он окончил в 1891 году . [2] Затем он получил степень магистра в Гарвардском университете в 1893 году. Ему была присуждена стипендия, которая позволила ему потратить три года на аспирантскую работу: один год на изучение высшей математики у Феликса Клейна в Геттингене , один год на изучение электричества и механики у Людвига Больцмана в Вене и один год на обучение у Анри Пуанкаре в Париже. Кэмпбелл получил докторскую степень в Гарварде в 1901 году, его диссертация была посвящена его исследованию катушки нагрузки в AT&T . [3]
В 1897 году Кэмпбелл устроился на работу в AT&T в Бостоне. Он разработал метод передачи аналоговой телефонии на гораздо большие расстояния, чем это было возможно ранее, путем введения в линию катушек нагрузки с тщательно рассчитанными интервалами для увеличения индуктивности . Инженер Майкл И. Пупин также запатентовал похожую систему, и AT&T заплатила Пупину очень большую сумму за его патенты, так что разработка могла продолжаться без юридических баталий. Фактически, ни один из них не был первым, кто предложил идею катушек нагрузки, эта заслуга принадлежит Оливеру Хевисайду в статье 1887 года. [4] Хевисайд, однако, никогда не патентовал эту идею; на самом деле, он не извлекал никакой коммерческой выгоды из какой-либо из своих блестящих работ. [5] Несмотря на довольно загадочные юридические аргументы, окружающие это, бесспорно, что Кэмпбелл был первым, кто фактически построил телефонную цепь с использованием катушек нагрузки. [6]
Кэмпбелл знал о работе Хевисайда по открытию условия Хевисайда [7] , в котором сформулирована спецификация для передачи сигналов без искажений, но, по-видимому, не знал о предложении Хевисайда использовать нагрузочные катушки, чтобы заставить линию соответствовать ему. Кэмпбелл изначально атаковал проблему с совершенно другой основы. Кэмпбеллу было поручено AT&T исследовать возможность улучшения качества линии с помощью железо-медного биметаллического кабеля, изобретенного Джоном С. Стоуном [8] , другим инженером AT&T. Этот кабель Стоуна аналогичным образом увеличил бы индуктивность линии и имел потенциал для соответствия условию Хевисайда. Однако Кэмпбелл изо всех сил пытался организовать практическую демонстрацию на реальном телефонном маршруте с выделенным ему бюджетом. Рассмотрев, что его искусственные имитаторы линии использовали сосредоточенные компоненты, а не распределенные величины, обнаруженные в реальной линии, он задался вопросом, нельзя ли вставить индуктивность с сосредоточенными компонентами вместо использования распределенной линии Стоуна. Когда его расчеты показали, что люки на телефонных линиях находятся достаточно близко друг к другу, чтобы можно было вставить загрузочные катушки без затрат на раскопки трассы или прокладку новых кабелей, он изменил свой план. [9] Самая первая демонстрация загрузочных катушек на телефонном кабеле была проведена на 46-мильном участке так называемого Питтсбургского кабеля (испытание на самом деле проводилось в Бостоне, ранее кабель использовался для испытаний в Питтсбурге) 6 сентября 1899 года самим Кэмпбеллом и его помощником. [10] Первый телефонный кабель с загрузочными линиями, введенный в эксплуатацию, был между Джамейка-Плейн и Уэст-Ньютоном недалеко от Бостона 18 мая 1900 года. [11]
AT&T вела судебную тяжбу с Пупиным по поводу его заявки. Пупин был первым, кто подал патент, но Кэмпбелл уже провел практические демонстрации еще до того, как Пупин подал заявку на патент (декабрь 1899 г.), [12] Задержка Кэмпбелла с подачей заявки была вызвана медленными внутренними махинациями AT&T. [13] Утверждение Пупина в своей автобиографии [14] о том, что он ранее задумался об этой идее во время восхождения на гору в 1894 г. [15] [16], широко подвергается сомнению [17] [18] [19], и нет никаких доказательств этого ни документальных, ни в последующей деятельности Пупина и его учеников. Однако AT&T по глупости удалила из предложенной Кэмпбеллом патентной заявки все таблицы и графики, подробно описывающие точное значение индуктивности, которое потребовалось бы до подачи патента. [20] Поскольку патент Пупина содержал (менее точную) формулу, AT&T была открыта для претензий на неполное раскрытие. Опасаясь, что существует риск, что битва закончится объявлением изобретения непатентоспособным (из-за предыдущей работы Хевисайда), они решили купить опцион на патент Пупина за ежегодную плату, чтобы AT&T контролировала оба патента. К январю 1901 года Пупину было выплачено 200 000 долларов (что эквивалентно 5 850 000 долларов в 2023 году), а к 1917 году, когда монополия AT&T закончилась и выплаты прекратились, он получил в общей сложности 455 000 долларов (что эквивалентно 11 040 000 долларов в 2023 году). [21]
Изобретение имело огромную ценность для AT&T. Телефонные кабели теперь можно было использовать на расстоянии, вдвое большем, чем раньше, или, в качестве альтернативы, на том же расстоянии можно было использовать кабель вдвое худшего качества (и стоимости). При рассмотрении вопроса о том, разрешить ли Кэмпбеллу продолжить демонстрацию, их инженеры подсчитали, что они сэкономят 700 000 долларов (что эквивалентно 21 700 000 долларов в 2023 году) на новых затратах на установку только в Нью-Йорке и Нью-Джерси. [22] Было подсчитано, что AT&T сэкономила 100 миллионов долларов (3,1 миллиарда долларов в 2023 году) в первой четверти 20-го века. [23] [24] Хевисайд, который все это начал, ушел ни с чем. Ему предложили символическую плату, но он не согласился, желая признания за свою работу, а не денег. Он иронично заметил, что если бы его предыдущая публикация была признана, это «помешало бы... потоку долларов в правильном направлении...». [25]
Одним из важных результатов работы над нагрузочными катушками было то, что нагрузка вызывала отсечку на определенной частоте в отклике линии, значение которой можно было предсказать, зная емкость линии, индуктивность катушки и расстояние между катушками. Ненагруженная непрерывная линия не имеет такого поведения, затухание просто неуклонно увеличивалось с частотой. Это поведение, а также сети с сосредоточенными элементами , используемые для создания искусственных линий в целях тестирования, подсказали Кэмпбеллу возможную топологию для фильтра с похожими характеристиками. [26]
Эта работа по фильтрации была начата в 1910 году. Используя лестничную сеть индукторов и конденсаторов в соответствующих конфигурациях, он создал фильтры нижних частот , верхних частот и полосовые фильтры. Эти фильтры могли быть разработаны для пропускания частот в любом указанном диапазоне и отклонения частот в других диапазонах. Этот класс фильтров позже был назван фильтром с постоянным k Отто Цобелем , работавшим в AT&T в Нью-Йорке. [27]
Резкость перехода от полосы пропускания к полосе заграждения и глубина заграждения в полосе заграждения определялись числом секций в лестнице. Если для фильтра требовалась более жесткая спецификация, все, что было необходимо, это добавить больше индуктивностей и конденсаторов к лестнице в точно такой же конфигурации схемы, как и для менее строгой спецификации. [28]
Целью фильтрации телефонного канала с такой точностью было то, что AT&T пытались использовать одни и те же провода для многих телефонных разговоров одновременно, используя технику частотного мультиплексирования (FDM), и было важно по соображениям конфиденциальности, а также разборчивости, чтобы не было перекрестных помех между каналами. Фильтры также требовались для разделения различных разговоров на дальнем конце кабеля. Первоначально для голосовой полосы пропускания использовалась полоса пропускания от 200 Гц до 2,5 кГц , но вскоре Международный союз электросвязи (МСЭ) установил мировой стандарт от 300 Гц до 3,4 кГц с интервалом между каналами 4 кГц. [29]
Эти конструкции фильтров, которые Зобель позже усовершенствовал, имели большую экономическую ценность для AT&T. Возможность отправлять несколько разговоров по одним и тем же проводам привела к существенной экономии затрат на установку кабеля. Используемая система модуляции ( передача с подавленной несущей на одной боковой полосе ) и стандарт МСЭ оставались основным методом распределения телефонных услуг, пока с 1980-х годов их не начали вытеснять цифровые технологии. [30]