02.06.2019 03:00

Волна, как носитель информации

На модерации Отложенный Волна как носитель информации

Волна одной частоты называется монохроматической (от греч. monos — один, chroma — цвет). Название происходит от оптического диапазона электромагнитных волн, в котором такая волна воспринимается глазом как определенный цвет. Цвет свидетельствует лишь о наличии источника волны. Однако человеческий глаз ориентирован на более богатую информацию. Если зафиксировать глазное яблоко и веки, то через некоторое время глаз вообще перестает воспринимать свет с постоянными частотой, амплитудой и фазой. То же относится и к другим органам рецепции — уху, воспринимающему звук, коже, воспринимающей температуру. Глазное яблоко и веки постоянно движутся, поскольку глаз воспринимает сигналы только с переменными параметрами, т.е. модулированные. Ими в избытке снабжает его естественная и искусственная природа.

Простейший вариант искусственной модуляции описан выше: короткий импульс РЛС используется в качестве временной метки. Такие импульсы применяют для локации планет, военных целей, неисправностей в кабеле, раковин в изделиях и т.д. Локация земной коры позволяет определять характер залегания пород, расстояние до выстрелившего орудия, эпицентра землетрясения или ядерного взрыва. Слоны сообщают сородичам об опасности, стуча ногами о землю. Такой сигнал распространяется гораздо дальше, чем трубный крик, — на многие километры.

Рукотворный сейсмодатчик применяют в минах. Он реагирует на приближение цели по колебанию грунта и включает другие датчики. Чувствительность некоторых мин позволяет им реагировать не только на бронетехнику, но и на шаги сапера на расстоянии ~10 м, поэтому они недоступны даже при обнаружении. Своеобразную локацию применяют и в миноискателе (точнее — в металлоискателе). Генерируемая им электромагнитная волна практически беспрепятственно проходит через диэлектрик, а от металла отражается — токи Фуко порождают вторичную волну. Отраженный сигнал усиливается приемником и преобразуется в звуковой или световой. Аналогично работает и радиовзрыватель: реагируя на цель на заданном от нее расстоянии, он производит подрыв боевой части ракеты или зенитного снаряда.

Сам по себе импульс локатора информационно беден — он лишь косвенно использует сложную дополнительную информацию о законах движения объектов, тактической обстановке и т.д. В то же время организованная совокупность импульсов может уже и сама но себе быть носителем информации. Например, детальная радиолокация земной поверхности позволяет выявить рельеф местности, в том числе объекты военного назначения. При этом различить перепады высоты деталей можно, если разность фаз отраженных радиоволн не менее п/2.

ВОПРОС. Какие минимальные перепады высоты способно регистрировать бортовое радиолокационное устройство, если частота передатчика v?

ОТВЕТ. Разность фаз в л/2 соответствует сдвигу в Х/А. Поскольку X = c/v, то критерий различимости высот Д/г = c/(4v).

В этом случае модуляцию сигнала производит рельеф местности — подобно тому как видимые поверхности модулируют свет, попадающий затем в глаз. Применяют и искусственное кодирование радиосигнала, например в радиовзрывателях. Такую команду можно точнее вычленить на фоне случайных помех — импульсов от разного рода генераторов, силовых установок и т.п.

В животном мире природная коммуникация осуществляется путем модуляции звука в гортани. В военном деле электромагнитные волны служат средством передачи информации и дезинформации путем радио-, телевизионной и телефонной (мобильной) связи. Этому сопутствуют способы и средства добывания и сокрытия информации путем устранения физических утечек электромагнитных волн, применения шифровки и дешифровки и т.д.

Исторический экскурс

В 1838 г. американский изобретатель и художник С. Морзе продемонстрировал телеграфную модуляцию, основанную на варьировании длительности импульсов и пауз между ними. В соответствии с азбукой Морзе буквы алфавита составляют путем сочетания «точек» (импульс длительностью At) и «тире» (импульс длительностью ЗАО- В 1896 г. радиотрансляцию такого рода продемонстрировал А. С. Попов. Например, буква «С» в русском языке выглядит в такой азбуке как три точки. То же число «три» легло в основу радиосигнала, означающего призыв о помощи: три тирс — три точки — три тирс. Внедрение его в практику сразу же помогло спасти на море многие жизни. Поскольку в английском алфавите такой сигнал эквивалентен буквам SOS (буква S передается также тремя точками), ему приписали йотом и содержание: save our souls, т.е. «спасите наши души». И все же возможности азбуки Морзе весьма ограничены: она дает лишь условное обозначение букв и не может передать, например, тембр человеческой речи, код которой основан на сочетании разных частот.

Монохроматическую звуковую волну в диапазоне частот 20—20 000 Гц ухо воспринимает как простой тон. Волны с частотами v < 20 Гц называют инфразвуком, а с v > 20 кГц — ультразвуком. Чем больше частота слышимого звука, тем больше высота тона. Волна может содержать и спектр частот. Набор отдельных частот называют линейчатым спектром, если же частоты сигнала непрерывно заполняют некоторый их интервал, то спектр называют сплошным. Ему соответствует шум.

Чтобы звук был слышен ухом, его интенсивность J должна быть больше некоторого предела J0, который называется порогом слышимости.

Для самого распространенного диапазона частот (1-^4) 103 Гц чувствительность уха очень велика: J0 ~ 10 _12 Вг/м2. Отношение J/J0 ощущается ухом как громкость. Уровень громкости L определяют логарифмической функцией, которая растет медленнее, чем J/JQ:

Единица L названа децибелом (дБ) — но имени шотландского изобретателя телефона А. Белла (1847—1922). В отсутствие коэффициента 10 единица называется белом. Громкость обычной речи —60 дБ, а при 120 дБ (двигатель самолета) ухо почти не слышит, но ощущает боль, т.е. воспринимаемая ухом интенсивность звука имеет не только нижний, но и верхний предел. При взрыве светошумовой гранаты уровень громкости еще выше и вызывает шок.

Если содержание сигнала основано на непрерывном изменении амплитуды, частоты или фазы волны, то его называют аналоговым. Поскольку на большие расстояния звук не распространяется, им модулируют электромагнитную волну, используемую как носитель сигнала, а в приемнике модулирующую волну снимают.

Модуляция сигнала, т.е. сложение гармонических колебаний с разными частотами, амплитудами и фазами, может придать ему любой вид. В простейшем случае это высокочастотное колебание, амплитуда которого изменяется с гораздо меньшей частотой. Рассуждая наоборот, можно представить колебание любой формы как суперпозицию гармонических колебаний разных частот. В соответствии с методом французского физика и математика Ж. Б. Ж. Фурье (1768—1830), участника египетского похода Наполеона, любая периодическая функция f(t) может быть разложена в ряд:

в котором оз0 = 2кТ~ где Т— период функции/. Фурье получил его, рассматривая распространение теплоты по железному кольцу корабельного якоря, однако впоследствии выяснилось, что такой метод позволяет разложить сигнал любой природы и любой формы на гармонические составляющие (гармоники). Это открытие оказалось удивительно мощным средством анализа. Оно отражает и реальность', физические системы действительно вычленяют в сложных сигналах гармонические составляющие. Например, неровности дороги вызывают нерегулярные возмущения подвески транспорта, и если в них оказывается гармоническая составляющая, близкая к собственной частоте системы, то возникает резонансное раскачивание кузова. Известный пример — разрушение Египетского моста в Петербурге от негармонических, но периодических ударов копыт лошадей и колес повозок.

В разложении Фурье колебание с минимальной частотой со() называют первой гармоникой, а колебания с кратными ей частотами 2со0, Зсо0 и т.д. — высшими гармониками. Амплитуды Av Л2, А3,... гармоник быстро убывают с увеличением их порядка (частоты), поэтому на практике используют лишь первые члены ряда Фурье. Период сложного колебания совпадает с периодом первой гармоники. Это и оправдывает сделанное в параграфе 7.5 допущение, что вынуждающая сила изменяется но гармоническому закону.

В акустике первую гармонику называют основным тоном, а высшие - обертонами (от нем. ober — верхний). Чем короче струна, тем выше ее тон (то же относится к голосовым связкам). При одинаковом основном тоне и разных обертонах звуки различаются тембром. Чем больше в звуке обертонов, тем он «богаче окрашен».

Спектр шума выглядит как набор непериодических колебаний, заполняющих некоторый интервал частот. Реальный сигнал содержит обычно и гармоники, и шум. Если их амплитуды соизмеримы, то в приемных устройствах возникает проблема выделения полезного сигнала на фоне шума (помех). Как уже отмечалось, это важно в радиолокации, где противник специально ставит помехи, чтобы подавить ими полезный сигнал. Поскольку шум сопровождает работу любой техники, то для военной техники уровень шума определяет ее скрытность. Головки наведения торпед, например, могут быть настроены на определенный спектр сигналов, исходящих от двигателей кораблей и подводных лодок.

Проблема выделения сигнала в приемнике может быть связана не только с шумом, но и с сигналами многих передатчиков. Каждая радиостанция работает на своей несущей частоте со0 которую нагружают модулирующими сигналами низких частот в некотором диапазоне Доз оз. Ближайшая но частоте станция должна иметь такой спектр, который не перекрывает соседний — иначе они друг другу будут мешать (рис. 7.13). Следовательно, чем больше несущие частоты, тем больше станций можно поместить в канал без взаимного перекрытия. Для одной несущей частоты радиосвязи требуется полоса частот, слышимых ухом (~10 кГц). Поэтому несущие частоты, например, военных радиостанций, составляют порядка нескольких десятков мегагерц. Видеоинформация гораздо богаче и требует полосы уже в несколько мегагерц, поэтому несущие частоты ~102—10* МГц.

Развитие информационной техники требует также повышения скорости передачи информации, а следовательно, ее уплотнения во времени. Это важно, например, для военной разведки. Поэтому вместо радиоволн все чаще используют оптический диапазон с частотой колебаний ~1015 Гц, что позволяет на много порядков уплотнить информацию и повысить скорость ее передачи. Если при несущей частоте 108 Гц (метровый диапазон) могут независимо работать ~104 радиостанций с полосой ~104 Гц, то при несущей частоте 1015 Гц их может быть ~10п! Аналогично увеличиваются емкость телевизионных и телефонных каналов и быстродействие ЭВМ.

Рис. 7.13

В военном деле радио- и видеосвязь применяют в бортовых и стационарных системах, аккумулирующих локальную, глобальную и космическую информацию. Этому сопутствует улавливание электромагнитного излучения средств противника (радиоэлектронная разведка, подслушивание и т.д.).