Как грузить информацию?

С момента зарождения радио и потом, в течение почти полувека, информацию взваливали либо на амплитуду, либо на частоту радиоволны. Воздействие на частоту отличается от амплитудной модуляции только тем, что передаваемый сигнал меняет частоту волны.

Но вот появилась новая, гениально простая идея. Оказалось, что из непрерывной радиоволны можно вырезать короткие отрезочки (как из бумажной ленты можно настричь много узких полосочек) - импульсы и грузить информацию на эти импульсы. Ведь у импульсов много параметров и все их можно менять: амплитуду, ширину (точнее, длительность), частоту, взаимное расположение и т. д. Так появилось большое семейство импульсных методов модуляции.

Кроме непрерывных и импульсных волн, в последние годы появился новый неожиданный переносчик информации: шум! Да, именно он, тот самый, который является врагом номер один во всех без исключения каналах передачи информации.

Самым удивительным является то, что максимальное количество информации из всех возможных сигналов может тащить на себе именно шум. Это блестяще было доказано творцом теории информации Клодом Шенноном.

Каким же образом заставить шум нести информацию? Ведь все его параметры: амплитуда, частота, фаза - хаотически меняются во времени. В нем не за что ухватиться, нет ни одного устойчивого параметра для загрузки информации.

Все это верно. Но все же есть один устойчивый параметр - это сам хаос. И им, оказывается, можно управлять. Можно, например, на передаче и на приеме поставить простые устройства, которые будут генерировать один и тот же хаос.

Пусть на передаче и на приеме имеется по два таких генератора. Каждая пара (первая и вторая) генерирует свои одинаковое шумы. Далее уславливаемся, что посылку Да будем передавать, включая первый генератор, для передачи Нет - второй. На приеме остается только сличить пришедший шум с двумя местными и решать, что передавалось - Да или Нет.

В настоящее время к упомянутым основным способам модуляций надо добавить еще несколько десятков их модификаций. Это плоды развития теории информации. Я как-то взял лист ватмана и попытался их всех собрать воедино и классифицировать. К первому листу пришлось подклеить второй, но и он не уместил всех способов. Листы пестрели всевозможными сочетаниями букв (сокращенные названия способов). В глазах рябило, но стройности не получилось. Дело уперлось, как это часто бывает, в удачный критерий сравнения.

Боюсь, читатель, что если мы здесь начнем снова раскладывать их по полочкам, то увязнем в опасной трясине.

Давайте поступим иначе.

Будем для простоты рассматривать только два вида сигналов: непрерывное гармоническое колебание (переносчик без всякой модуляции) и посылки типа Да - Нет. Первый может использоваться для начальной сигнализации и привлечения внимания. Второй для передачи информации.

Как мы видели, в посылки Да - Нет можно превратить информацию любой сложности. Этот способ передачи является самым грубым и, следовательно, самым стойким против помех. Поэтому использование его в межзвездной связи и вероятно и целесообразно. Наложение посылок Да - Нет на волну мы рассмотрим в следующем разделе.

Рис. 45

Теперь обратимся к модному в последние годы в радиотехнике слову: "избыточность". Что же такое избыточность? Грубо говоря, это то пятое колесо, которое возят автомобилисты на случай прокола.

Передача определенного количества информации обязательно требует некоторого минимального времени Δt и некоторой минимальной полосы частот Δf (ширина занимаемого частотного коридора). Можно менять значения Δt и Δf, но их произведение при передаче одной и той же информации должно оставаться постоянным. Так, замедлив передачу в три раза (то есть заняв время 3Δt), можно сузить небходимую полосу в три раза Если мы хотим для большей надежности передачи повторить ее, скажем, пять раз, то мы займем время не Δt, а 5Δt. Это и есть передача с временной избыточностью: мы занимаем в пять раз большее время, чем минимально необходимое. Можно такое повторение проводить не по времени, а по частоте: передавать одну и ту же информацию на пяти несущих частотах, но для этого потребуется пять передатчиков. Тогда время передачи останется то же, а полоса частот, занимаемая сигналом, станет равной 5Δt. Тем самым мы ввели частотную избыточность.

Простое повторение - это самый накладный метод введения избыточности. Однако есть и более экономные, требующие меньшего увеличения Δt или Δf. Все они являются методами корректирующего кодирования сигналов, когда к посылкам, несущим информацию, приставляют дополнительные, или избыточные, посылки. И это делает чудеса: они могут шепнуть на приеме, какая из информационных посылок до неузнаваемости искажена помехами; более того, при большом числе избыточных посылок они не только угадывают, какая же посылка на самом деле была послана на передаче, но и сами автоматически исправляют искаженную!

В очень ответственных системах применяют иногда одновременно и временную и частотную избыточность.

Интересно отметить, что частотную избыточность легко ввести, заменяя посылки отрезками шума. Изменяя "среднюю скорость" шумового хаоса, можно изменять в широких пределах полосу, занимаемую шумовой посылкой. Такая избыточность рождает удивительные свойства. Например, можно отсечь больше трех четвертей частотного спектра сигнала, а он продолжает трудиться и переносить информацию (как бодро бегущая ящерица с отсеченным хвостом). Это "безразличие" сигнала к своему спектру позволяет чисто хирургически бороться с мощными помехами в полосе частот сигнала. Их безжалостно вырезают с частью сигнала.

Рис. 46

Невообразимые дальности межзвездной связи и начальная неизвестность адреса корреспондента потребуют, вероятно, широкого введения избыточности в сигналы этих систем связи.