Мы настолько привыкли видеть на экране телевизора события, про- исшедшие на другом конце света, что даже не удивляемся этому. В со- временном мире радио, телевидение, телефон позволяют довольно просто получать и передавать необходимую информацию. А ведь еще сравнитель- но недавно все было совсем иначе... Для того чтобы передать в Петербург известие о коронации импера- трицы Елизаветы, происходившей в Москве, на всем пути между этими городами была выстроена цепочка солдат с флажками. В момент коро- нации 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 передачи информации в не столь далекие времена. Что же распространялось по этой цепочке? Каждый солдат оставался стоять на месте, но в некоторый момент времени он изменял свое состоя- ние (поднимал флажок). Это изменение состояния и распространялось по цепочке. В таких случаях говорят, что распространяется волна. Волны бывают разные в зависимости от того, какая величина изме- няется при распространении волны. В акустических (звуковых) волнах колеблется плотность вещества, в электромагнитных (свет, радио, теле- видение и т. п.) колеблются напряженности электрического и магнитного 141 полей. Бывают температурные волны, волны концентрации при химических реакциях, волны эпидемий и т. п. Образно говоря, волны пронизывают все здание современной науки. Простейший тип волны — монохроматическая волна, когда в каждом месте изменение состояния происходит со временем по гармоническому закону с определенной частотой (по закону синуса или косинуса). Моно- хроматические звуковые волны называют музыкальными тонами. Их воз- буждают, например, с помощью камертонов. Монохроматические световые волны получают с помощью лазеров. Волны, близкие к монохроматиче- ским, можно возбудить на поверхности воды, периодически погружая в нее какой-то предмет. В 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. Ка- ждый следующий солдат повторяет эти колебания, но с некоторым опоз- данием (сдвигом по фазе). По цепочке солдат побежит волна. Нечто по- добное 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 информа- цию такие волны? Очевидно, что нет. Периодически повторяющиеся во времени колебания не несут нам ничего нового, не передают информацию. А вот с помощью единичного взмаха можно было сообщить о начале ко- ронации. Чем же отличаются эти волны? Представьте себе мгновенную картину распространения волны. В первом случае в движение вовлечены все солдаты цепочки, а во втором — только один солдат. Другими словами, при передаче сигнала волна в каждый момент времени имеет ограниченную протяженность в пространстве. Можно сделать так, что взмахи в цепочке будут совершать одновре- менно 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 вооб- ще любую информацию (например, с помощью азбуки Морзе, о которой вы, наверное, слышали; правда, изобретена она была гораздо позже, в 1835 годуI. Ясно, что для передачи информации можно пользоваться не только цепочкой солдат — бывают звуковые, световые и т. п. сигналы. Са- мое интересное, что любой сигнал можно представить как сумму мо- нохроматических волн с разными частотами (составить из таких волн). 1 Удивительно, но морской семафор, в котором разные положения красного и желтого флажков обозначают разные буквы и цифры, появился еще позже, в 1880 году. (Прим. ред.) 142 Глава 16. Как волны передают информацию Эту возможность дает нам принцип интерференции: при распространении волн колебания в каждом месте пространства складываются. В зависи- мости от сдвига фаз между колебаниями они могут усилить друг друга (при нулевой разности фаз получаются колебания с двойной амплитудой (рис. 16.1, а)), а могут и ослабить (если колебания находятся в про- тивофазе, они полностью гасят друг друга (рис. 16.1, б)). Оказывается, что амплитуды и частоты складываемых монохроматических волн мож- но подобрать таким образом, что волны гасят друг друга почти во всем пространстве, кроме определенной области, где, напротив, происходит их усиление. Рис. 16.1: В зависимости от сдвига фазы монохроматические волны могут усиливать или ослаблять друг друга. На рис. 16.2 показан результат сложения большого числа N волн оди- наковой амплитуды Ло с частотами, лежащими в небольшом интервале шириной 2Аш около основной частоты ujq. Это как бы мгновенная фо- тография волны, показывающая изменение колеблющейся величины А в разных точках пространства в фиксированный момент времени. Имеет- ся центральный максимум с амплитудой NAq и множество побочных с быстро убывающими амплитудами. Так что, действительно, в основном волны гасят друг друга, а их усиление происходит в области центрального максимума. Рис. 16.2: Складываясь, большое число монохроматических волн может образовать короткий импульс. 143 Важно отметить, что эта область не стоит на месте, а движется со скоростью распространения волны. Если скорость с распространения мо- нохроматических волн всех частот одинакова (как, например, при распро- странении электромагнитных волн в вакууме), то и максимум движется со скоростью с, а его ширина постоянна и равна AL = 2пс/Аш. Так что длительность сигнала Д^ = 2ж/Аш. Получается удивительно простое фундаментальное соотношение AujAt = 2тг. Длительность сигнала и ширина набора частот волн, из которых сигнал состоит, связаны обратно пропорциональной зависимостью. Качественно это соотношение понятно: если имеется длинный обрывок синусоиды, соответствующий сигналу большой длительности (At велико), то это почти монохроматическая волна (Аш мало), А чтобы составить короткий сигнал, нужно сложить много волн с разными частотами. Все, наверное, замечали, что удар молнии 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 сигнала1. В рассмотренном нами случае спектр — прямоуголь- ник высотой Aq и шириной 2Дш, показанный на рис. 16.3. Это, конечно, простейший спектр. Спектры сигналов так же, как и сигнал, могут иметь самые различные формы. Рис. 16.3: Спектр импульса, изображенного на рис. 16.2. а>0-А(о <о0 Когда мы, например, произносим звуки, то заставляем определенным образом колебаться воздух, и эти колебания распространяются в виде зву- 1 Иногда спектром называют только набор частот монохроматических волн, образующих сигнал. Но наше определение более полное, так как задаются еще и амплитуды волн. 144 Глава 16. Как волны передают информацию ковых сигналов определенной формы. Спектр этих сигналов существенно различается в зависимости от того, произносим мы гласную или соглас- ную. Сигнал, соответствующий гласной, имеет спектр с двумя характерны- ми максимумами при определенных частотах (их называют формантами). Спектр согласной более «размазан» по всей области частот (на рис. 16.4 показан спектр согласной «С»). Существует специальный метод — гар- монический анализ, позволяющий находить спектры сигналов и восстана- вливать сигналы по известным спектрам. л А **у i i i i 1 i i 1000 5000 10000 ' Рис. 16.4: согласной Спектр звука «С». Интересно, что «кричать» умеют и твердые тела. Тепловое движение приводит в колебание атомы в кристаллической решетке, и такие колеба- ния 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 5 К максимум соответствует частотам 10 — 1013 Гц). 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 затуха- ют. Тем не менее в Африке еще до недавнего времени пользовались там- тамами для передачи информации по всей стране, повторяя звуки сигналов в каждом селении (так же, как повторяли взмахи флажками солдаты в це- почке). Таким образом, сигнал по дороге усиливался (ретранслировался). В наше время для передачи информации обычно пользуются электро- магнитными волнами, способными распространяться на большие рассто- яния. Из них формируют те или иные сигналы. Можно, например, «заста- вить» электромагнитную волну переносить звуковые сигналы. Для этого частоту волны задают постоянной (ее называют несущей частотой), а вот амплитуду меняют в такт со звуковыми колебаниями (рис. 16.5). Таким образом формируют последовательность сигналов, передающих нужную 145 информацию. В приемном пункте сигналы расшифровывают (детектиру- ют) — выделяют огибающую, соответствующую звуковым колебаниям. Этот метод называют амплитудной модуляцией. Он широко применяется при передаче радио и телепрограмм1. Рис. 16.5: Амплитуда несущей амплитудно модулированной волны изменяется в соответствии с передаваемым низкочастотным сигналом. Возникает вопрос: а как много информации за единицу времени можно передавать с помощью волн? Чтобы разобраться в этом, рассмотрим сле- дующий 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 длитель- ности. Сигналы можно передавать, используя амплитудную модуляцию (рис. 16.6). Чем с большей скоростью мы хотим передавать информацию, тем короче должны быть эти сигналы. Но при надежной передаче ин- формации длительность сигнала не должна быть меньше периода несущей синусоиды. Это и дает ограничение на скорость передачи информации. Хо- тите увеличить скорость передачи информации — увеличивайте несущую частоту. Фактически тут «работает» уже обсуждавшееся соотношение для длительности сигнала: Д^ « 2я/Аш, где Аш становится порядка ojq. ' Конечно, в процессе модуляции результирующая электромагнитная волна перестает быть монохроматической. Так, в случае простейшей амплитудной модуляции, несущей волны с частотой o;q и амплитудой A(t) x(t) = A(t) (рис. 16.5), aA0 2 A6.1) -U)t-cos(ui0 + n)t]. A6.2) Как видим, спектр даже такого простейшего модулированного сигнала содержит в себе уже частоты uiq — П, uig, oiq + О. 146 Глава 16. Как волны передают информацию и IIII ш fl I п (I I/ fl ill in II и A fl 1 fl II Hi Dll HI A fl II fl 1 fl II Рис. 16.6: Цифровую информацию можно передавать просто включая и выключая несущую волну. , 1 1 1 1 Например, для передачи музыкальных программ достаточно пользо- ваться 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 меньшим несущей частоты. Однако для передачи телевизионных программ такие частоты уже не годятся, Изображение на экране воспро- изводится 25 раз в секунду и в свою очередь состоит из десятков тысяч отдельных точек. Поэтому требуется частота модуляции порядка 10 Гц и соответственно несущая частота должна лежать в области десятков-сотен мегагерц. Вот почему в телевидении пришлось пользоваться высокоча- стотными, а следовательно, и ультракороткими волнами с длиной волны порядка метра, хотя распространяются они лишь в пределах прямой ви- димости1. Если же для передачи информации воспользоваться светом, у кото- рого частота колебаний 1015 Гц, то можно повысить скорость передачи информации на много порядков. И хотя сама по себе идея стара (впервые передачу звука с помощью световых сигналов осуществил изобретатель телефона А. Белл2 еще в 1880 г.), она стала технической реальностью только в наше время. Для этого должны были появиться источники мо- нохроматического света — лазеры, специальные световоды из оптических ' Интересно упомянуть, что первые телевизионные приемники (с механической разверт- кой), появившиеся еще в 20-х годах XX века, работали в диапазоне средних волн. Полу- чаемое на них изображение в силу указанных выше причин было столь низкого качества, что передаваемый образ распознавался с большим трудом. Это и потребовало дальнейших исследований и перехода в диапазон метровых волн с использованием электронной развертки. Однако любопытно, что такое «средневолновое телевидение» имело и свое преимуще- ство — благодаря дальнему (по сравнению с УКВ) распространению средних волн передачи, идущие, например, из Берлина, без всяких ретрансляторов и спутников связи можно было принимать в Москве. 2С которым вы уже встречались в предыдущей главе см. стр. 135. 147 волокон, передающие свет с очень малыми потерями, электронное обору- дование для эффективного кодирования и раскодирования сигналов. Сейчас можно с определенностью сказать, что эпоха медных проводов отходит в прошлое и развитие сверхскоростных и сверхмасштабных сетей передачи информации связано с волоконной оптикой.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Как волны передают информацию» з дисципліни «Дивовижна фізика»
