Рассматривая передачу любой информации в пространстве, нельзя умолчать о ее непримиримых и вездесущих, коварных и безжалостных врагах. Кто же они?

Говоря о передаче любой информации, независимо от того, какой сигнал переносит ее в пространстве: аналоговый или дискретный, - нельзя умолчать о ее непримиримых и вездесущих, коварных и безжалостных врагах. Даже предельно простая и ясная телеграмма может быть истерзана и изуродована ими. Легионы этих врагов информации разбросаны по всей планете, в окружающей ее атмосфере и даже в космосе. Кто же они?

Эти враги делятся на внешних и внутренних. О внутренних мы уже немного говорили. В любом устройстве для приема информации безразлично, автомат это или живой организм, всегда имеют место собственные тепловые флюктуации молекул и другие случайные процессы, которые ограничивают его чувствительность. Наглядно эти процессы можно себе представить в виде хаотически меняющегося внутреннего фона самого приемника информации. Их можно легко услышать: включите радиоприемник, отключите антенну и поворачивайте регулятор громкости, пока не услышите характерный грохот и шипение. Это и есть внутренние враги информации, которые препятствуют созданию приемников очень высокой чувствительности.

Всякому ясно, что приемник обнаружит сигнал только в том случае, если последний хоть несколько возвышается над фоном. (В скобках заметим, что недавно появились системы, способные принять сигнал, даже плотно покрытый шумом. Но за это мы должны платить дорогой ценой - колоссальным расширением занимаемой сигналом полосы частот и сложностью аппаратуры.)

Следовательно, внутренние враги, грубо говоря, уничтожают те сигналы из поступающих на вход, которые лежат ниже уровня собственных флюктуаций приемника.

Внешние враги есть сумма всяческих флюктуаций, поступающих на вход приемника. Для радиоприемника это и излучение искры дуги трамвая при плохом контакте, и грозовые разряды, и помехи систем зажигания автомашин, и излучение звезд, и накладки соседних по частоте радиостанций и т. д. Если рассматривать приемник светового пучка лазера, то врагами будут все посторонние лучи света.

Несчастье наше состоит в том, что внутренние и внешние враги отнюдь не уничтожают и даже не ослабляют друг друга, а, складываясь по законам случайных величин, создают общий более мощный шумовой фон. Правда, их полная хаотичность все же несколько замедляет рост суммарного шума. Так, при сложении двух равных по напряжению шумов их сумма будет равна не удвоенному значению, а вырастет только √2 = l,4 раза.

Как легко доказывается, для удобства анализа и для наглядности мы можем теперь "выгрести" все шумы из приемника и из окружающей приемник среды, сложить их, используя √2, и включить на вход приемника специальный генератор шума, создающий шум, равный этой сумме. Это и будет тот зловредный легион врагов, от которого зависят и дальность передачи в нашей системе связи, и среднее число искаженных знаков, и характер искажений.

Я не ошибусь, если скажу, что почти весь путь радиотехники со времен А. Попова до наших дней есть путь сражения с этими врагами, с этим эквивалентным генератором, который мы только что включили на вход приемника.

Вспоминается, как мы, аспиранты Института связи, не одну ночь провели в сражениях с этим генератором. Часто на рассвете казалось, что найден лабиринт, в котором обязательно хаос помех должен запутаться, а умный сигнал ускользнуть от них на выход приемника. Но при ярком солнечном свете и критике друзей эти надежды быстро гасли.

Уже тогда, терпя поражения в борьбе с этими ловкими и злыми силами природы, я окрестил их чертями. Впоследствии этот образ не раз оживлял мои лекции о помехах и путях борьбы с ними и помогал наглядно объяснить работу хитрых схем защиты от помех ("сигнал легко проходит через этот фильтр, а от черта на выходе фильтра остаются только рожки да ножки..."). Когда же появились методы передачи с помощью шума, то черти стали уже и носителями информации и образ нашел новое применение. Я сдружился с ним. Поэтому хочу и здесь им воспользоваться.

Самая коварная особенность этих чертей - их вездесущность на оси частот. Иными словами, их частотный спектр не сосредоточен в каком-либо участке частот, как у сигналов, а занимает всю (именно всю: от нуля до бесконечности) ось частот. Более того, наиболее вредная и наиболее распространенная его разновидность имеет не только сплошной спектр на всей оси частот, но и равные амплитуды составляющих на всех частотах. За это свойство такая помеха получила название белого шума, по аналогии с белым светом, являющимся суммой семи составляющих разных цветов, но также равной амплитуды. Хотя за те черные дела, которые помехи творят с передаваемой информацией, этот шум следовало назвать не белым, а черным.

Вот и выходит, что укрыться от чертей путем изменения рабочей волны нет никакой возможности. Надо искать другие пути.

В первые несколько десятилетий развития радиотехники теория кровавых поединков добра и зла в системах связи, то бишь сигналов и чертей, не была разработана, и поиск шел в основном интуитивно. Десятки тысяч изобретателей увлекались этой головоломкой - избавлением от помех.

Я получал истинное удовольствие, листая пухлые и пыльные папки изобретений на эту тему. Чего тут только нет? Если верить названиям и формулам изобретений, то проблема давно решена. Судите сами: "Приемник без помех", "Антенный фильтр, устраняющий помехи", "Способ передачи, не подверженный действию шумов" и т. д. Многие из них очень хитроумны и остроумны, и не так просто найти в них ошибку.

Если же всерьез говорить о белом шуме, то от него принципиально нельзя избавиться. Можно снизить им вызываемые искажения сигнала, но нельзя их полностью устранить. Но это было доказано позже. А до этого способы "полного" подавления помех закреплялись, как некогда проекты вечного двигателя, патентами.

Не раз мне задавали вопрос на лекциях: почему сигнал тонет и погибает в шумах, а не плавает сверху, где его можно было бы легко выловить и отделить от помех?

Действительно, шумы можно наглядно себе представить в виде будущего океана. Только бушует не водная стихия, а электрическая. Волны напряжения то вздымаются, то образуют глубокие провалы и воронки, то затихают на мгновение... И этот хаос нельзя точно предсказать. Все, что может сделать математика, это оценить эту картину хаоса "в среднем" и сказать: "За большое время наблюдения малого участка (или за малое время наблюдения большого участка этого океана) произойдет столько-то гигантских выбросов, столько-то средних, столько-то зияющих провалов и т. д.". Но, в каком точно они будут месте и в какое время и какой ужасной конфигурации, предсказать принципиально невозможно.

Далее, каждый такой выброс и провал есть не что иное, как электрический импульс той или иной формы, И он, как мы уже знаем, имеет свой частотный портрет: на шкале частот это набор плавных, я бы сказал, грациозных синусоидальных колебаний с амплитудами и фазами, характерными именно для этого выброса. Складываясь, как это ни странно, с первого взгляда, эти грации могут образовать злого и страшного черта. Пробивающийся сквозь этот хаос, сигнал также есть последовательность импульсов, каждый из которых имеет свой сугубо индивидуальный портрет (определяемый передаваемой информацией).

Нам остается немного: сложить эти два портрета вместе (это происходит на входе приемника). Но вот тут-то и зарыта собака. При сложении на каждой частоте встречаются две грации, а так как по законам электрическим на одной частоте может существовать одно и только одно колебание, то возникает новая грация, являющаяся алгебраической суммой составляющих сигнала и помехи на данной частоте.

К сожалению, здесь действует позорный принцип "с позиции силы": более сильная грация навязывает свою фазу и амплитуду (надеюсь, что вы не забыли еще байдарку на волнах из второй главы!) новорожденной красавице. Вот и получается, что если черти превосходят сигнал, то они навязывают свое "я", и сигнал трудно обнаружить даже в микроскоп (а современный приемник не уступает ему по увеличению). К этому надо добавить, что каждая грация искажается по-своему, а это искажает индивидуальную физиономию сигнала до неузнаваемости.

Из рассмотренной единой природы сигнала и шума и следует наивность надежд увидеть сигнал плывущим на поверхности шума.