Репортаж с ничейной земли. Рассказы об информации

Мы имеем множество датчиков и один передатчик, излучающий на Землю сигналы. На сигнале должны быть записаны все сообщения. Но при этом должна соблюдаться строгая очередность.

Итак, я начинаю набрасывать первую схему. Вот множество датчиков. Каждый из них я подключаю к одному из контактов, расположенных по кругу. Специальный ползунок может вращаться по этому кругу и поочередно «прощупывать» каждый контакт. В тот момент, когда ползунок соприкоснется с контактом, сигнал одного из датчиков поступит на передатчик и будет принят наземной станцией.

Все происходящее напоминает картину войскового смотра, когда главнокомандующий шаг за шагом минует ряды выстроенных перед ним подразделений и заслушивает четкие рапорты командиров. По команде, пришедшей с Земли, ползунок начинает поочередно обходить расположенные по кругу контакты, и каждый из них «рапортует» о состоянии доверенного ему объекта наблюдений:

- Температура?

- Двадцать!

- Давление?

- Семьсот тридцать!

- Излучение?

- Сорок рентген!

Пришедший на Землю ответный сигнал подает команду такому же переключателю, который одновременно (синхронно) с бортовым переключателем «совершает обход» соответствующих контактов, передавая их «рапорт» приемному устройству наземной станции:

- Температура?

- Двадцать!

- Давление?

- Семьсот тридцать!

- Излучение?

- Сорок рентген!

Конечно, в сигналах, пришедших на Землю, не содержится таких подробных ответов. На экране видны лишь отдельные всплески - импульсы тока. Высота их зависит от уровня измеряемых величин. Если растет давление, значит в соответствующем датчике растет ток. Этот ток воздействует на передатчик и увеличивает излучаемый им сигнал. Соответственно растет импульс на экране наземной станции.

Но здесь возникает первый сложный вопрос. Представьте себе, что система, которую мы хотим спроектировать, уже запущена в космос и точность ее сообщений гарантирует успешный полет. Пусть датчик, измеряющий давление внутри одного из отсеков, подключен к контакту номер один. Ползунок коснулся контакта, и вы получили сообщение о том, что давление соответствует норме. Ползунок пополз дальше, а в вас вдруг закралось сомнение: а что, если в следующее мгновение давление резко подскочит вверх? Вы с нетерпением ждете следующего сообщения. Вам кажется, что ползунок движется чересчур медленно: прошло так много томительных мгновений, а он не прошел и четверти круга. Но вот, наконец, обход завершен, и ползунок вновь вернулся на первый контакт. Вы почувствовали облегчение: давление не превысило нормы. И вдруг снова тени сомнений смутили ваш покой. Несколько мгновений назад все было в порядке. Сейчас тоже. А что было в промежутке между двумя сообщениями? Может быть, по каким-то причинам произошел резкий скачок давления в этом отсеке и оно превратило в лепешку часть приборов, установленных на борту корабля?

Впрочем, должен признаться, что я чересчур сгустил краски. «Тени сомнений» не смогли бы возникнуть в перерыве между двумя сообщениями, потому что даже при самой медленной скорости ползунок успевает в течение каждой секунды обежать все контакты по нескольку раз. Но измеряемые величины могут меняться еще быстрее. И оттого, что сообщения следуют с перерывами, полученная нами картина явления может быть совсем не похожа на то, что происходит на борту корабля.

И все же во многих случаях жизни нам приходится верить таким вот прерывистым сообщениям. Как проверяют продукты питания, выпускаемые фабрикой или заводом? Разве кто-нибудь пробует все сосиски или подвергает анализу каждый кусок колбасы? Нет, лишь время от времени с продуктов снимают пробу. По нескольким деталям, изготовленным цехом, делают заключение, что вся партия соответствует норме. И никто не высказывает опасений, что в перерыве между отдельными пробами проскочил производственный брак.

Но как часто снимаются подобные пробы? Через час или через день? Может быть, достаточно проверять раз в неделю? Но если в начале недели установлено, что колбаса изготовлена из свежего мяса, разве кто-нибудь даст гарантию, что к концу недели мясо будет таким же свежим? Очевидно, продукты питания проверяются чаще.

А как часто надо «снимать пробы» со спутника?

Не так-то просто ответить на этот вопрос. Пока ясно только одно: чем быстрее изменяются интересующие нас показатели, тем чаще надо снимать с них «пробу». Если бы нас интересовала погода в какомто районе Земли, мы могли бы принимать сообщения о температуре и скорости ветра не чаще, чем раз в 20 - 30 минут, потому что за это время погода в общем-то останется той же. Но ведь мы хотим получать сигналы со спутника. А уж тут дело сложнее. Спутник летает с огромной скоростью, и потому «космическая погода» может в течение каждой минуты измениться несколько раз. Успеют ли следить за этими изменениями наши отрывочные сигналы? Какой перерыв во времени допустим для отдельных «проб»?

Вот здесь и приходит на помощь теория информации. В основе многих ее положений лежит так называемая теорема Котельникова, позволяющая определить необходимую частоту «проб».

Среди тех, кто впервые поднял вопросы, касающиеся общих проблем передачи сообщений, советскому ученому Котельникову принадлежит почетное место. Это он впервые назвал «каналами связи» все пути, по которым может бежать информация, объединив этим термином и нервные ткани, и проволоку, и эфир⁹.

Им же была доказана теорема, согласно которой сведения о любых явлениях и процессах могут быть приняты на расстоянии в виде отдельных отрывочных «проб». Частота этих «проб» зависит от тех частот, которые содержит в себе сигнал.

Известно, что солнечный луч, пропущенный сквозь распыленную в воздухе влагу, дает красивые переливы цветов, которые мы называем радугой. Эти цвета образуют так называемый спектр. Белый луч распадается на семь цветов спектра, потому что он несет в себе множество различных частот.

Каждый сигнал, пришедший из космоса, тоже обладаег определенной «окраской» - его «цвет» зависит от содержащихся в нем частот.

К этой простой аналогии инженеры-связисты пришли не сразу. Сначала эти частоты были получены чисто теоретически, с помощью издавна используемых математикой преобразований Фурье. Затем научились выделять их из сложных сигналов с помощью специальных электрических фильтров. Нам с вами предстоит сейчас проделать подобную процедуру, для того чтобы воспользоваться теоремой Котельникова и определить, как часто придется снимать «пробы» с борта космического корабля. А зная частоту этих «проб», мы определим, с какой скоростью должен вращаться ползунок шагового переключателя во время «опроса» датчиков.

Чувствуете, какая длинная получается здесь связь? Одно цепляется за другое. Надо знать форму принятого сигнала, определить состав его спектра и привлечь на помощь теорему Котельникова, для того чтобы ответить лишь на один, казалось бы, совсем не сложный вопрос: как быстро должен вращаться наш ползунок?

Но удивляться этому не приходится. Ведь с помощью ползунка мы хотим получать информацию. Так где же, как не в теории информации, должны искать мы ответа на каждый вопрос? Раз уж мы взялись конструировать систему космической связи, нам придется вооружиться терпением и шаг за шагом пройти все звенья этой цепи.

Предположим, что сигнал одного из датчиков, с которого мы хотим снимать «пробы», имеет сложную форму, изображенную на рисунке. Нетрудно заметить, что здесь есть определенная частота повторения: через равные промежутки времени ток датчика нарастает и падает до нуля. Если это происходит 100 раз в секунду, значит частота повторения составляет 100 герц.

Давайте изобразим этот спектр иначе. Пусть каждый сигнал спектра будет «привязан» к шкале, по которой отмечены все частоты. Теперь на нашем рисунке сложный сигнал датчика будет выглядеть как частокол. Высота этого «частокола» определяется уровнями сигналов. (Уровень синусоидального сигнала определяется его амплитудой, то есть наибольшим отклонением напряжения от нулевого значения.) Каждый сигнал спектра имеет в общем узоре (то есть в сложном сигнале) определенный «удельный вес». Начиная с некоторой частоты (например, 1000 герц), составляющие спектра будут настолько малы, что приемник наземной станции их попросту не замечает. Да их и не следует замечать: они так малы, что их отсутствие не повлияет на форму сигнала.