Кто вы? - Петрович Николай Тимофеевич. Страница 22
Дальность связи можно резко повысить, если не распылять энергию, несущую информацию, по всей сфере, окружающей источник, а сконцентрировать ее в направлении на корреспондента. Эту благородную миссию выполняют так называемые направленные антенны.
Создание антенн с высокой направленностью является сложной и увлекательной математической и конструкторской задачей. Надо найти такую форму антенны, при которой разбегающиеся во все стороны волны собираются как бы в кулак и бросаются узким пучком на благодарного корреспондента. Для этого надо, чтобы фазы и больших лучей, и маленьких лучиков точно совпали в этом кулаке. Только тогда мощность будет сконцентрирована в пучке.
Я не раз терпел фиаско, пытаясь оторвать антеннщиков от любимой их «игры» с векторами лучей антенного поля и увлечь разработкой новых методов передачи информации. Боюсь, что даже жены ревнуют их к этим векторам.
Пример такого увлечения своим делом являет Григорий Захарович Айзенберг, один из главарей нашей антенной школы. Не случайно студенты валом валят на его лекции. Страсть и знания увлекают и зажигают их.
И не случайно характеристики направленности антенн они составили из… лепестков цветов. Их так и называют на самых серьезных дискуссиях и в учебниках — лепестки.
Но есть одно отличие от цветка. Среди лепестков венчика имеется один большой — главный. Он-то и увеличивает дальность связи. А меньшие, или боковые, — это издержки производства, результат того, что не удается все фазы лучей и лучиков точно согласовать.
По лепесткам диаграммы направленности с еще большим успехом можно гадать о любви. Ведь если повезет, можно попасть на гигантский лепесток!
Итак, чем уже главный лепесток (чем меньше угол α) и чем меньше площадь боковых, тем дальше будет мчаться наша информация.
Угол α зависит от отношения диаметра антенны к длине волны. Чем больше это отношение, тем уже главный лепесток. В сантиметровом диапазоне диаметры антенн достигли уже порядка 100 метров, что уменьшило ширину лепестка направленности до долей градуса. Последнее равносильно увеличению мощности передатчика в десятки тысяч раз (в направлении главного лепестка).
К сожалению, закон квадратичного ослабления мощности с увеличением расстояния, конечно, продолжает действовать и в случае направленной антенны. Ну, а если дальше увеличивать диаметр антенны, будет ли расти дальность связи?
Увеличивать можно, но… направленность может не возрастать. Почему? С увеличением размеров антенны надо повышать точность обработки поверхности «зеркала», как говорят специалисты, антенны. Если увеличивать диаметр, а точность не повышать, то фазы волн не совпадают, лучи не складываются согласно, мощность в точке приема не возрастает. Зеркало становится хоть и большим, но кривым.
Точность при уже достигнутых диаметрах антенн близка к пределу — это микроны. И предел этот ставят колебания температуры и влажности, вибрация, старение материалов.
Увеличение диаметра приемной антенны также увеличивает дальность связи. Чем больше антенна, тем большее число отдельных лучей она суммирует и тем больше будет мощность сигнала на входе приемника.
Таким образом, межзвездную систему связи обязательно должны украшать гигантские антенны на обеих корреспондирующих планетах.
Человек непрерывно воспринимает гигантское количество информации. Всю ее можно разделить на два типа. Первый — непрерывная, теперь ее часто называют аналоговой. И второй — дискретная, или прерывная.
Вообразим, что мы на футбольном матче. Раздался свисток судьи. Это типичный пример дискретной информации. Она принимает только два значения — есть свисток или нет свистка. Да или Нет. Такую информацию называют двоичной. Начался матч. Не отрывая взора от поля, вы следите за мячом, за игроками, за воротами. Теперь вы вбираете в себя непрерывную сложную информацию о ходе сражения.
Но вот забит гол! Это тоже пример дискретной двоичной информации — или мяч там, или мимо.
По ходу матча на табло появляются цифры забитых голов. Это тоже дискретная информация, но не двоичная. Она имеет ряд дискретных значений. Число элементов, из которых она набирается, равно десяти. Ее называют десятеричной.
Любую информацию с помощью преобразователей (телевизионные камеры, микрофоны, телеграфные аппараты и т. д.) можно отобразить электрическим сигналом. Эти сигналы, естественно, будут тоже двух типов — непрерывные или дискретные.
Вернемся на минуту снова к нашим зарубкам на волне. Примером сложного непрерывного сигнала может быть телевизионный сигнал. Его можно сравнить по сложности очертаний, например, с кижским Преображенским собором, который, как оказывается, построили гениальные руки только топором и без единого гвоздя.
Простейший двоичный сигнал — Да — Нет — можно представить незатейливым плотницким срубом с проемами.
Каждому ясно, что передать по каналу связи информацию об очертании собора в тысячу раз труднее, чем об очертании сруба. Но оказывается, есть путь сделать первое таким же простым, как второе. Я не ошибся, не заглядывайте в список опечаток.
Для совершения этого фокуса-покуса надо проделать три «истязания» непрерывного сигнала.
Первое истязание. Из сигнала надо выбросить всю «пустую породу», не несущую информации. Для этого в нем обозначаются отдельные его значения, равно отстоящие друг от друга, а остальное все выбрасывается. Эти оставшиеся дискреты, как это ни странно на первый взгляд, хранят всю информацию исходного непрерывного сигнала. Так, для непрерывного речевого сигнала с полосой 3000 гц нужно из него вырезать 6000 равноотстоящих импульсов в секунду. По этим вырезкам можно абсолютно точно восстановить исходный сигнал. В этом состоит основное содержание известной теоремы Котельникова.
У студентов распространено некое неверие в эту теорему. Задаю четкий вопрос на экзамене: точно или приближенно можно восстановить сигнал по отдельным значениям, взятым в соответствии с теоремой Котельникова?
И часто получаю туманные ответы:
С большой точностью.
С некоторой точностью.
С большой вероятностью.
Конечно, приближенно.
Смотря, какой исходный сигнал.
Смотря, что нам надо. И т. д.
Второе истязание. Оно состоит в том, что амплитуды полученных вырезок из сигнала мы передаем не точно, а приближенно. Например, весь диапазон изменения амплитуд сигнала мы разбили на 10 стандартных уровней. Передавая каждый из импульсов, мы смотрим, к какому из этих 10 уровней он ближе, и передаем номер этого уровня. Чем больше число этих уровней, тем точнее будет передан сигнал. Например, речевой сигнал разбивают на 127 уровней. При этом восстановленный на приеме речевой сигнал не отличается от передаваемого без описанных преобразований.
Почему можно допустить передачу приближенного значения амплитуды сигнала вместо точного? Потому что потребитель информации (ухо, глаз, реле и др.) всегда имеет некоторую мертвую зону нечувствительности к небольшим изменениям и отклонения сигнала в пределах этой зоны не замечаются на приеме.
И наконец, третье истязание, последнее. Оно состоит в том, что вместо импульса (приведенного к ближайшему уровню) надо передать просто номер этого уровня. А номера уровней можно передать группой двоичных посылок. Например, для 127 уровней надо взять группу из 7 посылок типа Да — Нет. Меняя взаимное расположение Да — Нет в группе, можно составить 127 различных комбинаций или кодов.