Как волны передают информацию

Доктор физико-математических наук Л.Г.Асламазов

Мы настолько привыкли видеть на экране телевизоре события, происходящие на другом конце света, что даже не удивляемся этому. В современном мире радио, телевидение, телефон позволяют довольно просто получать и передавать необходимую информацию. А ведь еще сравнительно недавно все было совсем иначе...

Для того чтобы передать в Петербург известие о коронации императрицы Елизаветы, происходившей в Москве, на всем пути между этими городами была выстроена цепочка солдат с флажками. В момент коронации первый солдат взмахнул флажком, затем следующий и т.д. Так известие о коронации дошло до Петербурга, где выстрелила пушка. Вот каким сложным способом пользовались для быстрой передачи информации в не столь далекие времена.

Что же распространялось по цепочке солдат? Каждый солдат оставался стоять на месте, но в некоторый момент времени он изменял свое состояние (поднимал флажок). Это изменение состояния и распространялось по цепочке. В таких случаях говорят, что распространяется волна.

Волны бывают разные. В акустических (звуковых) волнах меняется плотность вещества, в электромагнитных (свет, радиоволны и т.п.) — напряженности электрического и магнитного полей. Бывают температурные волны, волны концентрации при химических реакциях, волны эпидемий и т. п. Образно говоря, волны охватывают все многообразие явлений в природе.

Простейший тип волны — монохроматическая волна, когда в каждом месте изменение состояния происходит со временем по гармоническому закону с определенной частотой (но закону синуса или косинуса). Многие из встречающихся в природе волн можно считать монохроматическими. Звуковые волны такого типа называют музыкальными тонами. Их возбуждают, например, с помощью камертонов. Монохроматические световые волны получают с помощью лазеров. Волны, близкие к монохроматическим, можно возбудить на поверхности воды, периодически погружая в нее какой-то предмет. В нашей цепочке солдат также можно получить похожие волны.

Представьте себе, что каждый солдат не просто взмахнул флажком, а совершает им колебания, периодически поднимая и опуская флажок. Каждый следующий солдат повторяет эти колебания, но с некоторым опозданием (сдвигом по фазе). По цепочке солдат побежит волна. Нечто подобное можно увидеть во время спортивных праздников, когда цепочки людей совершают периодические движения со сдвигом по фазе.

Это красивое зрелище радует глаз, но могут ли передавать информацию такие волны? Очевидно, что нет. Периодически повторяющиеся во времени колебания не несут нам ничего нового, не передают информации. А вот с помощью единичного взмаха, когда изменение состояния каждый раз происходило в ограниченной области пространства, можно было передать информацию о начале коронации. Такие ограниченные в пространстве волны называют сигналами.

Можно сделать так, что совершать взмахи в цепочке будут одновременно не один, а два, три или даже несколько стоящих рядом солдат. Тогда протяженность сигнала увеличится. Пользуясь сигналами разной длины, можно передать не только информацию о начале коронации, но и вообще любую информацию. Природа сигнала может быть различной — бывают сигналы звуковые, световые и т. п.

Самое интересное, что любой сигнал можно представить как сумму монохроматических волн с разными частотами (составить из таких волн). Эту возможность дает нам принцип интерференции: при распространении волн колебания в каждом месте пространства складываются. Скажем, в зависимости от сдвига фаз колебания одинаковых частот могут усилить друг друга (при нулевой разности фаз получаются колебания с суммарной амплитудой), a могут и ослабить (при противоположной фазе колебаний). Оказывается, что амплитуды и частоты складываемых монохроматических волн можно подобрать таким образом, что волны гасят друг друга почти во всем пространстве, кроме определенной области, гДе, напротив, происходит их усиление.

Важно отметить, что эта область не стоит на месте, а движется со скоростью волны, иными словами — распространяется сигнал. Если скорость с монохроматических волн всех частот одинакова (как, например, при распространении электромагнитных волн а вакууме), то и максимум движется со скоростью с. Его ширина постоянна и равна dL = 2*pi*c/w. Так что длительность сигнала dT = 2*pi/w. Получается удивительно простое фундаментальное соотношение: w * dT = 2 * pi. Длительность сигнала и ширина диапазона частот волн, из которых сигнал состоит, связаны обратно пропорциональной зависимостью. Качественно это соотношение понятно: сигнал большой длительности (dT велико) формируется из монохроматических волн близких частот (w мало). А чтобы составить короткий сигнал, нужно сложить много волн с разными частотами. Все, наверное, замечали, что молния вызывает помехи в радиоприемнике во всех диапазонах частот.

Итак, каждый сигнал можно составить из монохроматических волн или же, говоря по-другому, разложить на такие волны. Зависимость амплитуды монохроматических волн, образующих сигнал, от их частоты называется спектром сигнала. Спектры сигналов, так же как и сигналы могут иметь самые различные формы.

Когда мы, например, произносим звуки, то заставляем специальным образом колебаться воздух, и эти колебания распространяются в виде звуковых сигналов определенной формы. Спектры этих сигналов существенно различаются в зависимости от того, произносим мы гласную или согласную. Сигнал, соответствующий гласной, имеет спектр с двумя характерными максимумами при определенных частотах (их называют формантами). Спектр согласной более "размазан" по всей области частот.

Существует специальный метод — гармонический анализ,— позволяющий находить спектры сигналов и восстанавливать сигналы по известным спектрам.

Интересно, что "кричать" умеют и твердые тела. Тепловое движение приводит в колебание атомы в кристаллической решетке, и такие колебания передаются по телу в виде упругих волн. Это тоже звуковые волны. Однако их спектр имеет максимум при очень высоких частотах, а в области слышимых частот амплитуда звука пренебрежимо мала (например, даже при очень низкой температуре порядка 5 К максимум соответствует частоте 1012-1013Гц). Так что услышать, о чем говорят твердые тела, можно только с помощью специальных приборов. "Подслушав" эти разговоры (изучив их спектры), ученые узнали много важных "секретов" твердых тел.

Какими же сигналами обычно пользуются для передачи информации? Для связи на коротких расстояниях годятся звуковые сигналы — люди пользуются ими испокон веков. Однако звуковые волны быстро затухают.

В наше время для передачи информации обычно пользуются электромагнитными волнами, способными распространяться на большие расстояния. Из них формируют те или иные сигналы. Можно, например, "заставить" электромагнитную волну переносить звуковые сигналы. Для этого частоту волны фиксируют (ее называют несущей частотой), а вот амплитуду меняют в такт со звуковыми колебаниями. Таким образом формируют последовательность сигналов, передающих нужную информацию. В приемном пункте сигналы расшифровывают (детектируют) — выделяют огибающую, соответствующую звуковым колебаниям. Этот метод называют амплитудной модуляцией. Он широко применяется при передаче радио- и телепрограмм.

Возникает вопрос: а как много информации за единицу времени можно передавать с помощью волн? Чтобы разобраться в этом, рассмотрим следующий способ передачи информации. Известно, что любое число можно записать в двоичной системе в виде последовательности нулей и единиц. Точно так же и любую информацию можно закодировать — записать в виде последовательности сигналов и их пропусков определенной длительности. Сигналы можно передавать, используя амплитудную модуляцию. Чем с большей скоростью мы хотим передавать информацию, тем короче должны быть эти сигналы. Но при надежной передаче информации длительность сигнала не должна быть меньше периода несущей синусоиды. Это и дает ограничение на скорость передачи информации. Хотите ее увеличить — увеличивайте несущую частоту. Фактически тут "работает" уже обсуждавшееся соотношение для длительности сигнала: dT ~ 2 * pi / w, где w становится порядка w(0).

Например, для передачи музыкальных программ достаточно пользоваться электромагнитными волнами с частотой порядка сотен килогерц: человеческое ухо воспринимает сигналы с частотой до 20 кГц, и в этом случае интервал частот, составляющих сигнал, будет по крайней мере на порядок меньше несущей частоты. Однако для передачи телевизионных программ такие частоты уже не годятся. Изображение на экране воспроизводится 25 раз в секунду и в свою очередь состоит из десятков тысяч отдельных точек. Поэтому требуется частота модуляции порядка 107Гц и соответственно несущая частота должна лежать в области десятков—сотен мегагерц. Вот почему в телевидении пришлось пользоваться высокочастотными, а, следовательно, и ультракороткими волнами с длиной волны порядка метра, хотя распространяются они лишь в пределах прямой видимости.

Если же для передачи информации воспользоваться светом, у которого частота колебаний 1015Гц, то можно повысить скорость передачи информации на много порядков. И хотя сама по себе идея эта стара (впервые передачу звука с помощью световых сигналов осуществил изобретатель телефона Г. Белл еще в 1880 году), она стала технической реальностью только в наше время. Для этого должны были появиться источники монохроматического света — лзеры, специальные световоды из оптических волокон, передающие свет с очень малыми потерями, электронное оборудование для эффективной кодировки и раскодировки сигналов.

Сейчас можно с определенностью сказать, что эпоха медных проводов отошла в прошлое и развитие сверхскоростных и сверхмасштабных сетей передачи информации связано с волоконной оптикой.