Обыденное представление о времени Ч.3. (Из цикла: пространство, время, материя, информация)
Обыденное представление о времени
Время – характеризует фазу сигнала - энергетического процесса, так говорят радиотехники, когда рассматривают его в виде электрического тока и напряжения, в процессах, происходящих в электрических цепях (см. Теория цепей и сигналов).
Те же процессы формально происходят и в пространстве, (физически они описываются уравнениями Максвелла), они тоже характеризуются фазой, которая является аргументом в угловой системе координат, задаваемой пространственным положением излучающей/принимающей антенны.
И там и там единицей аргумента является секунда, и это логично и понятно, ибо существует две формы выражения энергетических процессов – пространственная и временная. и они обе рассматриваются в радиотехнике при обработке сигналов с единых позиций, ибо фаза однозначно определяет передаваемую посредством электромагнитного излучения информацию (амплитуда сигнала, в условиях априорной неопределенности, и в частности изменения условия распространения радиоволн информации содержит мало, и потому самым эффективным является использование фазомодулированных и фазоманипулированных сигналов).
Поэтому в радиотехнике существует понятие пространственная фаза, которая характеризует состояние электромагнитного поля в пространстве, и временная фаза - т.е. время, которое определяет фазу радио сигнала, переводя его из времени в угол периодического процеса гармонического колебания через формулу 2 pi*t/T выраженный в радианах. ( где Т – период повторения гармонического сигнала, а t – текущее время ).
При обработке электрических сигналов, проходящих через цепи, и при пространственной обработке сигналов, формально используется один и тот же математический аппарат. И распределение напряженности поля по раскрыву антенны, (ее диаметру, если она сферическая зеркальная) по каждой из двух пространственных координат, однозначно определяет структуру поля, излучаемого антенной, и в частности такой ее наиважнейший показатель, как коэффициент усиления. При этом диаграмма излучения антенны в пространстве (по одной из плоскостей) определяется путем преобразования Фурье из функции распределения напряженности поля на антенне по соответствующей пространственной координате. Диаграмма направленности антенны трактуется специалистами как «спектр пространственных частот».
Аналогично и радиосигнал сигнал, представляемый во времени в виде напряжения, изменяющегося во времени, также может быть представлен преобразованием Фурье в виде спектральных составляющих При этом спектр одиночного сигнала представляет непрерывную функцию, а спектр группового сигнала, состоящего из нескольких импульсов, представляет вид «гребенки», т.е. имеет структуру. Подчеркнем важный момент - структурирование сигнала во времени, приводит к структурированию сигнала и в частотной области. Частота тут является величиной обратной времени, т.е. 1 Гц = 1/ сек, и F = 1/T ( где T - длительность импульса, а F – ширина его спектра). Тут еще раз напомним, что радиочастотный сигнал имеет «несущую частоту», которая переносит его энергию в зону высоких частот электромагнитного излучения, которые хорошо передаются в открытом пространстве электромагнитным полем. При этом, когда рассматривают вопросы обработки сигнала и оценки его параметров, то говорят уже не просто о фазе сигнала, а о фазе огибающей сигнала, которая и содержит в себе всю полезную информацию, ибо она физически определяется его структурой (фаза несущей тоже несет информацию, и при тонкой обработке сигнала используется, что повышает эффективность обработки в 2 раза). Заметим также, что главным показателем качества сигнала является его база D, которая определяется произведением его длительности Т на ширину его спектра ∆ F, D = Т*∆ F . (25)
База сигнала определяет эффективность использования энергии для передачи информации, именно поэтому все современные устройства связи и радиолокации, навигации работают с использованием именно сложных сигналов. Физически она определяется количеством независимых, т.е. некоррелированных элементов, входящих в состав сигнала N, она показывает предельную степень сжатия, которую может обеспечить фильтр, согласованный с параметром этого сигнала. В случае фазовой манипуляции (переключения фазы радиочастотного излучении т.о. чтобы смежные сигналы были не коррелированы) образуется фазоманипулированный сигнал с постоянной амплитудой, состоящий из подряд следующих импульсов в переменной фазой. В результате согласованной фильтрации все составляющие его импульсы складываются по амплитуде, а шумовой процесс при этом декоррелируется. В результате достигается предельное отношение на выходе согласованного фильтра мощности полезного сигнала, к мощности шумовых помех, что и определяет вероятности правильного обнаружения сигнала, и точность измерения его параметров.
В силу этого в современных радиотехнических устройствах с цифровой обработкой информации используются исключительно фазоманипулированные сигналы, благодаря микроминиатюризации аппаратуры, повышения ее качественных характеристик (высокочастотности) и расширения аппаратурных возможностей.
Подчеркнем еще следующее. Качество любой измерительной системы потенциально достижимое определяется не только базой сигнала, но и его структурой, которая задает форму тела неопределенности, которое характеризует форму отклика на выходе согласованного с ним фильтра. Эта форма, так же как и форма диаграммы антенны по угловой координате, представляет собой «острую» функцию с боковыми лепестками вида sinx/x. Отношение амплитуды максимального значения к боковым лепесткам и определяет надежность измерения, тогда как точность измерения определяется базой сигнала. Т.о. фазовая структура определяет надежность передачи информации посредством радиосигнала (!) (при фиксированной его энергии). Правильно подобранная последовательность фаз следующих непрерывно один за другим импульсов определяет уровень боковых лепестков, который в пределе и определится базой сигнала (коэффициентом усиления антенны). ( Когда – то (в 1970 г) мой брат занимался подбором правильных соотношений антенн в пространстве (что по сути одно и то же), перебирая разные комбинации для антенного креста на КА. С большим трудом было найдено оптимальное соотношение. Теперь теория дает четкий ответ на этот вопрос, и существует таблица кодов Баркера, которая позволяет, не ломая голову применять сложные кодированные сигналы.). Вот зачем нужна теория.
Т.о. время является аргументом в представлении сигнала, как в электрических цепях, так и в пространстве, в виде электромагнитного поля. И никто этому не удивляется, не потому, что привыкли, а потому, что с формальной стороны, с точки зрения математики, и теории обработки сигналов, процедуры выделения информации идентичны, и суть их одна. Замечу, что вся информация об окружающем мире, это не что иное, как знание пространственно-временной структуры материи, которая имеет фрагментарную структуру, и состоит из материальных сгустков, существующих в разных фазовых состояниях, (твердого вещества, жидкого, газообразного, плазмы и поля. я так понимаю, и в внутренне убежден, что именно такая трактовка и видение мироустройства наиболее формально четкая и правильная). При этом знание об окружающем мире - информация формально выражается в виде матрицы пространственно-временных связей между этими фрагментами материи, которые потенциально независимы, а потому м могут рассматриваться как отдельные физические материальные объекты. Именно выявление этих связей и есть цель измерителей всех видов - построение многомерной матрицы апостериорных вероятностей распределения всех параметров фрагментов материи (которые рассматриваются и находятся в данном объеме пространства, на заданном интервале времени).
Перейдя к наблюдателю, заметим, что его зоркость, способность различать различные объекты (фрагменты материи) определится именно видом сигналов, их структурой, и в конечном итоге остротой их тел неопределенности. Острота зрения человека определяется диаметром хрусталика его глаз, а зоркость антенны РЛС ее диаметром D и длиной волны сигнала λ ( отношение D/ λ показывает коэффициент усиления антенны в одной из плоскостей вертикальной, или азимутальной, а диаграмма направленности антенны это и есть ее «тело неопределенности» по одной из плоскостей )
Что же касается поля, то оно характеризуется напряженностью в разных точках пространства, оно непрерывно. В каждой точке пространства в каждый момент времени присутствует поле с некоторой напряженностью электрического и магнитного поля, которые характеризуют мощность и направления потоков энергии электромагнитного излучения. Поэтому пространство не пустое, оно наполнено потоками энергии, которые можно получать установив антенну, и переведя ее в форму электрического тока .
Не знаю, как уж будет справляться с задачей наблюдения поля Наблюдатель (см. полемику на форуме MAXPARK), но пассивный локатор, принимающий радиоизлучения может это сделать, если у него два глаза, сравнивая полученные излучения и оценивая фазы радиосигналов, принятых ими, при чем не абсолютные, а относительные. Точность измерения дальности до объекта определится расстоянием между двумя «глазами» - антеннами, и точностью измерения временного положения сигнала с неизвестными параметрами. Задача эта весьма сложная и требующая больших аппаратурных затрат, теоретически была решена в начале 70-х годов прошлого века (в настоящее время, полагаю, реализуемая при определении состояния вселенной на достаточно большие расстояния А.К, ).
Комментарии