Передача сообщений осуществляется либо с помощью материального носителя (бумаги, магнитной ленты), либо с помощью некоторого физического процесса (посылок тока, звуковых и электромагнитных волн). В этом случае физический процесс, отображающий сообщение, называют сигналом. Сигнал обязательно является функцией времени, т. е. передача знаков происходит последовательно, один за другим. Обратите внимание на то, как вы читаете этот текст: слева направо и сверху вниз, последовательно пробегая взглядом все слова.
Сигналы, представленные в электрической форме, характеризуются определенными параметрами. К ним относится длительность сигнала определяющая время, нужное для его передачи.
Другой параметр уже введенный нами динамический диапазон — равен отношению наибольшей мгновенной мощности сигнала Рмакс к наименьшей мощности, которую необходимо регистрировать при заданном качестве передачи Рмин(измеряется он обычно в децибелах):
Динамический диапазон спокойной человеческой речи, как уже упоминалось, составляет 30… 35 дБ, а симфонического оркестра 70…80 дБ.
Третьим параметром сигнала является ширина его спектра. Звуковой спектр лежит в пределах 16…20000 Гц. Но передавать весь этот спектр необходимо, лишь когда мы желаем обеспечить исключительно высокое качество звуковоспроизведения. При телефонной же связи требуется, чтобы речь была разборчивой и собеседники узнавали друг друга по голосу. В этих условиях достаточна полоса частот от 300 до 3400 Гц, которая и принята в качестве стандартной в телефонной связи.
Ширина спектра обратно пропорциональна скорости изменения сигнала во времени — чем быстрее изменяется сигнал, тем шире спектр. Некоторые буквопечатающие телеграфные аппараты (например, СТ-35) работают со скоростью передачи 50 символов в секунду, или 50 Бод, как говорят связисты. Ширина спектра телеграфного сигнала обычно считается равной Fc = 1,5v, где v скорость телеграфирования в бодах. В данном примере ширина спектра составит всего 75 Гц. Как видим, телеграфный сигнал занимает весьма узкую полосу частот. Телевизионный сигнал, напротив, занимает очень широкую полосу частот — около 6 МГц (шесть миллионов герц!).
Произведение трех основных параметров сигнала определяет его объем:
Vc = TсDсFc.
Объем сигнала можно выразить в битах, если скорость передачи умножить на время передачи сигнала:
Vc = СTс.
Чем больше объем сигнала, тем больше информации можно «вложить» в этот объем. Это наглядно иллюстрируется изображением «плитки» информации. Ведь объем параллелепипеда равен произведению его длины, ширины и высоты. Примем длину «плитки» пропорциональной длительности сигнала, ширину — полосе частот, а высоту — логарифму отношения максимальной и минимальной мощностей сигнала. Тогда объем «плитки» окажется равным объему сигнала.
Плитку информации при передаче можно деформировать.
Теперь мы в каждом конкретном случае можем оценить, что и сколько надо передавать. А передача осуществляется средствами радиоэлектроники. Совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу сигнала из пункта А в пункт B, называется каналом связи. Это может быть проводная, кабельная, радиорелейная. оптическая, коротковолновая или спутниковая линия связи с необходимой приемопередающей аппаратурой. Канал связи имеет свои собственные параметры, а они чаще всего не совпадают с параметрами сигнала. Пусть, например, автоматическая межпланетная станция получила телевизионное изображение далекой планеты. Линия радиосвязи со станцией может пропустить лишь ограниченную полосу сигнала, и передать весь телевизионный спектр шириной 6 МГц нет никакой возможности. Кроме того, сигнал, прошедший по каналу связи, искажается шумом и помехами. В результате его динамический диапазон оказывается ограниченным сверху максимальной мощностью передатчика, а снизу — уровнем шумов и помех в канале связи.
Другой пример: с автоматической метеостанции, плавающей в открытом море, надо снять информацию, накопленную за сутки или даже за неделю. Сеанс связи может длиться всего несколько минут, ведь корабль, самолет или спутник, как правило, не может долго находиться в зоне действия передатчика станции. Значит, «плитку» информации, подлежащей передаче, надо «деформировать», преобразовать так, чтобы ее объем не изменился, а параметры были сoгласованы с параметрами канала связи. Так и делают. Телевизионное изображение далекой планеты передают долго, существенно увеличивая Тс, сжав одновременно динамический диапазон сигнала Dс и его полосу частот Fc. А метеоданные, накопленные сутками, передают за минуты, значительно увеличивая скорость передачи С = Vc/Tс, равную произведению динамического диапазона и полосы сигнала: С = DсFc. Соотношение между динамическим диапазоном и полосой сигнала также выбирают исходя из параметров канала связи. При одной и той же скорости передачи можно сформировать широкополосный сигнал с малым динамическим диапазоном (что обычно выгоднее) либо узкополосный с большим динамическим диапазоном.
Все эти вопросы относятся к очень серьезной, но, к сожалению, малоизвестной широкому кругу читателей науке — теории передачи информации, или теории передачи сообщений. Известны и другие ее названия: общая теория связи, математическая (статистическая) теория связи. Эта наука возникла на стыке математических и технических дисциплин, она связана с кибернетикой, теорией вероятностей, математической статистикой, теорией случайных процессов, статистической радиотехникой.
Большой вклад в разработку математических основ общей теории связи внесли наши советские ученые: академик Л. Н. Колмогоров и член-корреспондент АН СССР А.Я.Хинчин. Академик В. А. Котельников создал теорию потенциальной помехоустойчивости, позволяющую рассчитывать предельно достижимые параметры канала связи при наличии шума и помех. Его работы «О пропускной способности «эфира» и проволоки в электросвязи» (1933 г.) и «Теория потенциальной помехоустойчивости» (1946 г.) стали классическими. Впоследствии В. А. Котельников руководил работами по радиолокации планет Солнечной системы, за что был удостоен Ленинской премии.
Общая теория связи позволяет правильно спроектировать канал связи, выбрать оптимальный способ кодирования и модуляции сигнала, построить (только подумайте: вычислить математически!) оптимальную структурную схему приемника. Давно ушли в прошлое те времена, когда упоминание о линии связи вызывало в воображении образ радиста, вслушивающегося в слабый писк «морзянки», тонущей в шумах эфира, и отстукивающего свои сообщения телеграфным ключом. Хотя такого радиста еще и можно увидеть на далекой зимовке или за любительской радиостанцией, в государственном масштабе проблемы связи решаются по-другому, и обусловлено это неизмеримо возросшими потоками передаваемой информации.
В нашей стране развивается и совершенствуется Единая автоматизированная сеть связи (ЕАСС). Ее основу составляют кабельные и радиорелейные линии связи, причем сеть допускает возможность усовершенствования существующих и подключения новых линий. Оконечная аппаратура сети позволяет передавать не один, а сотни и тысячи телефонных разговоров одновременно. Как же это делается?
Раньше поступали просто: надо организовать два телефонных канала-протягивали две линии. В старых фильмах можно увидеть, а может быть, некоторые из читателей видели и в действительности пучки из нескольких десятков проводов, протянутых на телеграфных столбах с перекладинами. Сейчас такого уж не встретишь, и это очень хорошо с точки зрения экономии материалов и труда связистов. Для того чтобы передать много каналов по одной линии, которая так и называется — многоканальная линия связи, информацию уплотняют. Различают два основных вида уплотнения: частотное и временное.
При частотном уплощении лишь один телефонный канал передается по линии связи в его «собственной» полосе частот 300… 3400 Гц. Сигналы других каналов преобразуются по частоте и занимают другие, более высокочастотные участки спектра. В приемной аппаратуре производят обратное преобразование и получают исходный звуковой спектр для каждого канала. Для разделения каналов при частотном уплотнении используют электрические частотные фильтры.
При временном уплотнении линия связи «предоставляется» каждому каналу на очень короткое время и сигналы каналов передаются по очереди в виде коротких импульсов. Частота переключения (коммутации) каналов в соответствии с теоремой отсчетов должна быть вдвое выше наивысшей частоты спектра сигнала. Для телефонных каналов она может составлять, например, 8 кГ ц. В многоканальной линии связи общая полоса передаваемых частот значительно возрастает. Например, в современной отечественной системе К1800 может быть передано 3600 телефонных каналов при общей полосе частот, занимаемой групповым сигналом, 8,5 МГц. Разработаны и еще более емкие системы, например К10800, пропускающая 21 600 телефонных каналов при общей полосе частот 61 МГц. При ее создании использовались самые новые радиоэлектронные компоненты и конструкторско-технологические решения.
Пропустить столь широкие полосы частот в радиоканалах длинных, средних и коротких воли невозможно, поэтому для передачи группового сигнала по радио приходится использовать сверхвысокие частоты — дециметровые и сантиметровые волны. А поскольку эти волны распространяются лишь в пределах прямой видимости между антеннами, строят радиорелейные линии — ряд мачт с антеннами и ретрансляторами, размещаемыми на расстоянии 30…60 км друг от друга. Не правда ли, радиорелейная линия чем-то напоминает древнюю систему сигнальных башен! Спираль развития средств связи совершила виток, но насколько же связь усовершенствовалась и качественно, и количественно! Типовая радиорелейная линия может передавать несколько телевизионных и сотни, тысячи телефонных каналов, в сумме — сотни мегабит информации в секунду.