Как грузят информацию на "бегунов" и что происходит с ними при увеличении груза?

Мы установили, что информацию в пространстве переносят "бегуны" - волновые процессы в материальной среде, разделяющей пункты передачи и приема. Теперь посмотрим, каким образом взваливают информацию на плечи этих неутомимых спринтеров и стайеров и что происходит при увеличении груза.

Вы стоите перед входной дверью квартиры приятеля. На дверях табличка: звонить 3 раза. Три раза вы заставляете волну электронов бежать по проводу и порождать звук. Отпуская кнопку, вы прерываете бег, и звонок замолкает. Это и есть самый простой способ погрузки информации на волну: прерывать волну. Меняя длительность звонков, можно передавать буквы и цифры, например, азбукой Морзе.

Процесс погрузки информации на волну называют модуляцией. В отсутствие модуляции колебания имеют вид синусоидального колебания.

Грузить информацию можно на любой из параметров синусоиды: на амплитуду, на частоту и на фазу. Нажимая кнопку звонка, мы воздействовали на амплитуду колебаний, меняя ее от нуля до максимума. Можно ее плавно менять, тогда получим сигнал, используемый, например, при передаче радиовещания.

Если теперь менять частоту колебаний, как бы растягивая ее и сжимая в некоторых пределах, то получим частотную модуляцию. Такой вид модуляции используется, в частности, при излучении радиоволны спутником "Молния".

Наконец, есть еще один параметр у синусоиды - фаза φ. Этот тонкий параметр определяет положение колебания во времени. Изменить фазу можно, задержав колебание во времени, например, пропустив его по дополнительному отрезку кабеля.

Как и амплитуду, остальные два параметра также можно менять и плавно, и скачком. Для передачи простых сигналов типа "да" - "нет" используют модуляцию скачком; для сигналов, имеющих не два, а великое множество значений (речь, музыка, изображение) - плавную.

Чем больше груза надо перевезти, тем больше требуется транспортных средств: вагонов, автомашин, самолетов. А как быть с информацией? Сколько ее можно грузить на одну волну? Есть ли тут аналогия с грузом?

Для ответа на эти вопросы надо освоиться с понятием спектра.

Пока нет модуляции, волна, плавно меняясь по закону синуса, занимает на шкале частот только одну точку (F₀), равную числу совершаемых ею колебаний в секунду. Она не толкается и не налезает, на соседние с ней волны, колеблющиеся с чуть меньшей и чуть большей частотой.

Но как только на эту волну вы нагрузите информацию, то картина принципиально изменится. Волна потеряет стройность, обрастет другими порожденными модуляцией и прилегающими к ней частотами. Это приведет к вторжению ее на соседние территории: волна займет уже не одну точку F₀, а целый участок, в центре которого будет находиться исходное колебание.

И чем большую информацию мы погрузим на волну, например, чем, больше будем передавать телеграмм за один час, тем большую частотную делянку займет несущая ее волна. В чем суть такого "ожирения" исходной стройной волны?

Модулируя колебание любой информацией, мы нарушаем его синусоидальную форму, делаем его более сложным, меняющимся во времени по более замысловатому и не столь плавному закону.

Почти двести лет назад французский математик Ш. Фурье доказал, что всякое сложное колебание есть сумма простых и его можно разложить на эти простые гармонические колебания. Это и есть разложение в знаменитый ряд Фурье, которым до сих пор занимаются в поте лица все математики и физики.

Применив разложение в ряд Фурье к любому модулированному колебанию, мы увидим, что у него появятся обязательные спутники на соседних частотах. Вот они-то и есть армия агрессии.

Изображение всей этой армии на шкале частот в виде вертикальных линий, величина которых пропорциональна их амплитудам, называется спектром. Он очень удобен тем, что сразу показывает, из каких гармонических колебаний состоит волна и какой частотный участок, или коридор, нужно ей отвести при передаче на этой волне информации, а также какую полосу частот, или какое частотное "горло", должен иметь приемник для ее восприятия.

Значит, чем больше информации мы взваливаем на волну, тем большую полосу частот она занимает в среде распространения.

Установлено, что скорость движения "бегунов" не зависит от груза (тут аналогия с перевозками тяжестей нарушается). Но это не значит, что на бегуна можно взваливать неограниченный груз (даже если гигантское расширение спектра сигнала нас не пугает). Дело в том, что по мере расширения спектра высота его частокола на шкале частот будет падать (при неизменной мощности передатчика) и может стать ниже частокола помех на входе приемника. Это вызовет искажение информации, чему будут рады злые силы природы - помехи, на знамени которых написано "Долой всякую информацию, да здравствует хаос!". Об их повадках мы расскажем позже.

При этом будем помнить, что, в каком бы диапазоне частот или волн ни мчался наш "бегун" с грузом информации, необходимая ему для бега дорожка будет тем шире, чем больше он несет на себе информации. Входное "горло" приемника, или его полоса пропускания, также должна быть не уже, чем дорожка "бегуна". В противном случае он уподобится пресловутому верблюду, пытающемуся пролезть в игольное ушко.

Далее, любой диапазон частот: звуковой, ультразвуковой, УКВ, оптический - имеет вполне определенную протяженность по частоте. Поэтому в нем можно разместить только ограниченное число "бегунов", одновременно несущих информацию.

Если это будут "худые" "бегуны", то есть несущие небольшую информацию - один телефонный разговор или телеграмму, сигналы времени или курса самолета, то таких "бегунов" можно разместить много в используемом диапазоне. Картина будет напоминать забег на короткую дистанцию, где каждый бегун имеет свою дорожку.

Если это будут "жирные" "бегуны", несущие сотню или тысячу одновременных телефонных разговоров, одну или несколько телевизионных программ, то их в этом диапазоне разместится значительно меньше.

Если же мы заставим бежать столько же "толстяков", сколько на данной полосе умещалось "худых", то получится каша: "бегуны" будут налезать друг на друга, сбивать друг друга и, самое главное, в "горло" приемника будет влезать сразу несколько "бегунов". Это случай, когда вы на приемник принимаете одновременно и музыку, и речь, и всякие шумы.

Общее число дорожек, которое можно выделить для. "бегунов" равной упитанности, например для "толстых", неизменно возрастает с повышением частот диапазона или, что то же самое, с укорочением длин волн диапазона. Так, во всем диапазоне длинных волн нельзя разместить даже одного "бегуна", несущего стандартный телефонный сигнал. В УКВ-диапазоне таких сигналов можно разместить сотни и тысячи. А в оптическом - сотни тысяч. Вот почему будущее принадлежит этим диапазонам.

А сейчас перейдем к знакомству с различными видами "бегунов", транспортирующих информацию на нашей планете и за ее пределами.