Посвящение в радиоэлектронику

Наш мир полон информации. Год от года ее становится все больше. Информация есть совокупность сведений о событиях, явлениях, предметах — одним словом, обо всем, что имеется и происходит в мире. Для передачи и хранения информации используют знаки (символы). С их помощью информацию представляют в виде письменного текста, шифрованной цифровой таблицы, в форме живой человеческой речи, графиков, рисунков, электрических сигналов и многими другими способами.

Совокупность знаков, содержащих ту или иную информацию, называют сообщением. Это текст телеграммы, ток микрофона, телевизионное изображение. Сообщения необходимо передавать от человека к человеку, из одного места в другое, ибо без обмена информацией попросту невозможна разумная человеческая жизнь.

Информация, заключенная в этой книге, никогда не дошла бы до вас, сети бы книга не была издана, а вы ее не прочитали. Собираясь начать какое-либо дело, например конструирование детекторного приемника, вы прежде всего должны ознакомиться с уже имеющейся информацией по этому вопросу. Иначе вам придется самостоятельно повторить научные и экспериментальные труды Ампера, Фарадея, Максвелла, Герца, Попова и многих других ученых и исследователей. Согласитесь, это не самый оптимальный и легкий путь!

Гораздо проще прочитать школьный учебник физики, подходящую радиолюбительскую брошюру или, наконец, шестую главу этой книги. Там достаточно информации для построения детекторного приемника.

Нужны ли еще примеры? При строительстве новых заводов, разработке приборов и станков, в путешествиях по ближним и дальним краям просто необходимо использовать информацию, уже накопленную людьми. И чем проще это слетать, тем скорее движется дело. «Позвони и спроси!» вот как просто и очень часто мы выходим из затруднительных положений. А средства массовой информации — печать, радио, телевидение? Сколько сведений мы узнаем благодаря им! Итак, сегодняшнюю жизнь невозможно представить без широко разветвленных систем передачи информации.

Передача сообщений осуществляется либо с помощью материального носителя (бумаги, магнитной ленты), либо с помощью некоторого физического процесса (посылок тока, звуковых и электромагнитных волн). В этом случае физический процесс, отображающий сообщение, называют сигналом. Сигнал обязательно является функцией времени, т. е. передача знаков происходит последовательно, один за другим. Обратите внимание на то, как вы читаете этот текст: слева направо и сверху вниз, последовательно пробегая взглядом все слова.

Сигналы, представленные в электрической форме, характеризуются определенными параметрами. К ним относится длительность сигнала определяющая время, нужное для его передачи.

Другой параметр уже введенный нами динамический диапазон — равен отношению наибольшей мгновенной мощности сигнала Рмакс к наименьшей мощности, которую необходимо регистрировать при заданном качестве передачи Рмин (измеряется он обычно в децибелах):

Динамический диапазон спокойной человеческой речи, как уже упоминалось, составляет 30… 35 дБ, а симфонического оркестра 70…80 дБ.

Третьим параметром сигнала является ширина его спектра. Звуковой спектр лежит в пределах 16…20000 Гц. Но передавать весь этот спектр необходимо, лишь когда мы желаем обеспечить исключительно высокое качество звуковоспроизведения. При телефонной же связи требуется, чтобы речь была разборчивой и собеседники узнавали друг друга по голосу. В этих условиях достаточна полоса частот от 300 до 3400 Гц, которая и принята в качестве стандартной в телефонной связи.

Ширина спектра обратно пропорциональна скорости изменения сигнала во времени — чем быстрее изменяется сигнал, тем шире спектр. Некоторые буквопечатающие телеграфные аппараты (например, СТ-35) работают со скоростью передачи 50 символов в секунду, или 50 Бод, как говорят связисты. Ширина спектра телеграфного сигнала обычно считается равной Fc = 1,5v, где v скорость телеграфирования в бодах. В данном примере ширина спектра составит всего 75 Гц. Как видим, телеграфный сигнал занимает весьма узкую полосу частот. Телевизионный сигнал, напротив, занимает очень широкую полосу частот — около 6 МГц (шесть миллионов герц!).

Произведение трех основных параметров сигнала определяет его объем:

Vc = TсDсFc.

Объем сигнала можно выразить в битах, если скорость передачи умножить на время передачи сигнала:

Vc = СTс.

Чем больше объем сигнала, тем больше информации можно «вложить» в этот объем. Это наглядно иллюстрируется изображением «плитки» информации. Ведь объем параллелепипеда равен произведению его длины, ширины и высоты. Примем длину «плитки» пропорциональной длительности сигнала, ширину — полосе частот, а высоту — логарифму отношения максимальной и минимальной мощностей сигнала. Тогда объем «плитки» окажется равным объему сигнала.

Плитку информации при передаче можно деформировать.

Теперь мы в каждом конкретном случае можем оценить, что и сколько надо передавать. А передача осуществляется средствами радиоэлектроники. Совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу сигнала из пункта А в пункт B, называется каналом связи. Это может быть проводная, кабельная, радиорелейная. оптическая, коротковолновая или спутниковая линия связи с необходимой приемопередающей аппаратурой. Канал связи имеет свои собственные параметры, а они чаще всего не совпадают с параметрами сигнала. Пусть, например, автоматическая межпланетная станция получила телевизионное изображение далекой планеты. Линия радиосвязи со станцией может пропустить лишь ограниченную полосу сигнала, и передать весь телевизионный спектр шириной 6 МГц нет никакой возможности. Кроме того, сигнал, прошедший по каналу связи, искажается шумом и помехами. В результате его динамический диапазон оказывается ограниченным сверху максимальной мощностью передатчика, а снизу — уровнем шумов и помех в канале связи.

Другой пример: с автоматической метеостанции, плавающей в открытом море, надо снять информацию, накопленную за сутки или даже за неделю. Сеанс связи может длиться всего несколько минут, ведь корабль, самолет или спутник, как правило, не может долго находиться в зоне действия передатчика станции. Значит, «плитку» информации, подлежащей передаче, надо «деформировать», преобразовать так, чтобы ее объем не изменился, а параметры были сoгласованы с параметрами канала связи. Так и делают. Телевизионное изображение далекой планеты передают долго, существенно увеличивая Тс, сжав одновременно динамический диапазон сигнала Dс и его полосу частот Fc. А метеоданные, накопленные сутками, передают за минуты, значительно увеличивая скорость передачи С = Vc/Tс, равную произведению динамического диапазона и полосы сигнала: С = DсFc. Соотношение между динамическим диапазоном и полосой сигнала также выбирают исходя из параметров канала связи. При одной и той же скорости передачи можно сформировать широкополосный сигнал с малым динамическим диапазоном (что обычно выгоднее) либо узкополосный с большим динамическим диапазоном.

Все эти вопросы относятся к очень серьезной, но, к сожалению, малоизвестной широкому кругу читателей науке — теории передачи информации, или теории передачи сообщений. Известны и другие ее названия: общая теория связи, математическая (статистическая) теория связи. Эта наука возникла на стыке математических и технических дисциплин, она связана с кибернетикой, теорией вероятностей, математической статистикой, теорией случайных процессов, статистической радиотехникой.