Люди и биты. Информационный взрыв: что он несет

Николай ПЕТРОВИЧ

A и Z обмениваются информацией

Преодоление пространства

Рассмотрим задачу передачи информации из одной точки пространства в другую, с которой мы сталкиваемся на каждом шагу. Независимо от расстояния между корреспондентами, которое может исчисляться и долями сантиметра, и многими световыми годами, независимо от типа передаваемой информации можно выявить общую структуру двух типов систем связи.

Первая из них сводится к записи сообщения на некоторый носитель и отправке его корреспонденту тем или иным видом транспорта. Одними из первых таких носителей были глиняные таблички, пергамент, берестяные грамоты. На смену им пришла бумага, фотопленка, магнитная лента. Почта, которой мы все пользуемся, – типичный пример таких систем связи.

Бросается в глаза их ограниченность.

Необходимы транспортные средства, способные достичь точки нахождения корреспондента, а скорость передачи сообщения будет определяться скоростью их передвижения. Установить связь с помощью таких систем, например с группой геологов, затерявшихся в непроходимой тайге, невозможно.

Второй тип систем связи использует для переноса информации не транспортные средства, а некоторый физический процесс, способный распространяться в пространстве, разделяющем корреспондентов. Передаваемое сообщение на передаче «записывается» на этот процесс и «считывается» на приеме. Эти два непременных действия называются модуляцией и детектированием. Сущность модуляции сводится к изменению одного из параметров процесса, называемого несущим колебанием, в соответствии с передаваемой информацией. Таким параметром может служить амплитуда, частота или фаза несущего колебания. При передаче импульсов это может быть длительность импульса, его временное положение, частота следования.

– Какие же физические процессы используются для переноса информации? Электрический ток и радиоволны?

– Этих процессов не два, а значительно больше. Вот несколько примеров. Многие поколения революционеров в России использовали для передачи сообщений в тюрьмах механические колебания в их стенах, возникающие при постукивании по ним. Ленин, как известно, прекрасно владел этим методом и быстро устанавливал связь с другими политическими заключенными.

Для связи между погруженными в воду объектами используются колебания, создаваемые в водной среде. Те самые колебания, которыми мы любуемся, бросая камни в воду.

Разговаривая, люди создают модулированные звуковые колебания в воздушной среде, их разделяющей. Все музыкальные инструменты создают звуковые колебания различных частот и различной модуляции, которые достигают слушателя благодаря их распространению в воздушной среде.

Многие животные, например муравьи и бабочки, используют для переноса информации запахи. Дельфины и летучие мыши используют звуковые и сверхзвуковые колебания. Передача импульса по нервному волокну в человеческом организме происходит с помощью сложных электрохимических волн.

Преимущества второго типа систем связи, использующих в качестве переносчика распространяющиеся в среде, разделяющей корреспондентов, колебания, очевидны. Это отсутствие транспортных средств и быстрота переноса информации.

Вместе с тем видны и ее недостатки: возможность воздействия на несущее колебание различного рода помех в среде распространения и, конечно, невозможность переноса вместе с информацией хотя бы ничтожных по размеру и весу материальных частиц.

Даже посылая по почте письмо, вы можете вложить туда засушенный эдельвейс, кленовый листик, крупицу красивого камушка. Несущее колебание принципиально непригодно для этого. Есть только возможность ярко описать в прозе или даже в стихах тот же эдельвейс, листик, камушек.

Более того, если имеется телевизионный канал, то можно почти в натуральных красках показать все это на экране своему корреспонденту. Дальнейшее совершенствование такой системы связи позволит получить еще более подробную информацию: передать не только цветное и объемное изображение, но и аромат цветка и листика.

Артур Кларк идет еще дальше – обсуждает возможность создания в будущем систем связи – репликаторов. Это системы, передающие исчерпывающую информацию о наблюдаемом предмете, например о том же кленовом листике, по которой на выходе приемника с помощью репликатора синтезируется сам предмет.

Если говорить о не очень сложных изделиях, то такие системы возможны и их прообразы уже существуют. Ведь станок с гибкой программой, создаваемой микропроцессором, по существу, является репликатором. В зависимости от поступающей информации, то есть выбранной программы, станок изготавливает ту или иную деталь.

В зависимости от типа системы связи часть ее элементов может совмещаться или отсутствовать, но принципиальные ее черты – наличие несущего колебания, модуляция его информацией, распространение в среде, детектирование – остаются неизменными.

Например, некоторые из обитающих на большой глубине рыб используют для передачи информации свои источники света. Это биологические фонарики с линзами, рефлекторами и даже диафрагмами. Информация передается с помощью световых импульсов путем изменения частоты их следования и длительности. Будет ли когда-нибудь расшифрована эта подводная азбука Морзе?

Преодоление помех

Как мы уже отмечали, центральной задачей при создании систем передачи информации является защита от различного рода помех и искажений. Она оказалась настолько трудной, что многие ее аспекты не разрешены до сих пор. Для решения этой задачи в конце 40-х годов сформировалось новое научное направление, получившее название теории информации или теории передачи сигналов.

Основу этой науки составили две фундаментальные работы. Эта докторская диссертация В. Котельникова, ныне академика, «Теория потенциальной помехоустойчивости при флюктуационных помехах» (1946) и публикация американского ученого К. Шеннона – «Математическая теория связи» (1948), принесшая ему мировую известность.

До появления исследований В. Котельникова многие специалисты считали, что, продолжая усовершенствовать приемник, можно в конце концов найти такую схему, которая полностью устраняет действие помех. Листая старые патенты, мы находим подтверждение этому. Вот некоторые названия их: «Приемник без помех», «Фильтр, устраняющий помехи», «Схема полной компенсации помех».

В. Котельников построил математическую модель «идеального приемника», лучше которого по помехоустойчивости принципиально никакой приемник быть не может. Затем исследовал воздействие на этот приемник флюктуационных шумов, наиболее сильно искажающих сигнал и наиболее часто действующих в системах связи.

Из полученных формул следовало, что полностью исключить действие помех можно только в двух практически не реализуемых случаях: при бесконечной мощности сигнала или при мощности помех, стремящихся к нулю.

Во всех остальных случаях полностью избавиться от действия помех невозможно. В частности, при передаче сигналов ДА-НЕТ вероятность ошибки, то есть отношение искаженных посылок к их общему числу, определяется только отношением энергии сигнала к энергии помех при данном способе их передачи.

– Какой же способ передачи этих широко применяемых сигналов дает самую лучшую защиту от помех?

– На этот вопрос также дает ответ алгоритм работы идеального приемника. Если ДА передается сигналом A(t), а НЕТ сигналом В(t), то энергии этих сигналов должны быть равны, а по своей форме они должны быть противоположны, то есть A(t) + B(t) = 0. Это разнополярные сигналы, сигналы фазовой манипуляции со сдвигом на 180 градусов.

– Насколько я помню, К. Шеннон опроверг результаты В. Котельникова. Ведь он показал, что при некоторых условиях можно полностью избавиться от искажающего действия помех. Кажется, так?

– Во-первых, не полностью избавиться, а в точной формулировке принять «со сколь угодно малой ошибкой». То есть маленькая щелочка для помех остается.

Во-вторых, никакого опровержения результатов В. Котельникова нет. Результаты этих ученых относятся к разным системам связи.

В. Котельников изучал передачу без избыточности, т.е. никаких дополнительных элементов в сигнале, кроме необходимых для переноса информации, не было.

К. Шеннон построил математическую модель не только идеального приемника, а всей системы связи. При этом считая, что в ней используются идеальные сигналы, лучше которых не существует. Хотя модель, к сожалению, не позволяет полностью раскрыть эти идеальные сигналы, но подсказывает, что это сигналы, безусловно, с избыточностью.

Это значит, что, кроме посылок, несущих информацию, вводятся дополнительные посылки, не несущие информации, вводимые по определенным правилам и позволяющие на приеме уменьшить или даже исключить ошибки из-за действия помех. Этот метод защиты от помех получил название избыточного кодирования.

Ясно, что введение дополнительных символов, не несущих информации, снижает скорость передачи. При высокой эффективности избыточного кодирования это снижение скорости может быть в несколько раз.

Таким образом, результат В. Котельникова относится к системам без избыточного кодирования, а результат К. Шеннона – к системам с избыточным кодированием, передающим информацию с меньшей скоростью.

Для определения этой предельной, то есть максимально возможной, скорости передачи в идеальной системе связи со сколь угодно малой вероятностью ошибки К. Шеннон и получил весьма простую и изящную формулу.

Если система связи занимает полосу пропускания Δf, а отношение мощностей сигнала и помехи есть P_С/P_П, то максимальное количество информации, которое можно передать в секунду со сколь угодно малой вероятностью ошибок, есть величина C = Δf log (1 + P_С/P_П).

Два примера:

Пусть P_С/P_П = 1; Δf = 1000 Гц. Тогда C₁ = 1000·log (1 + 1) = 1000 бит в секунду. Если P_С/P_П = 255, то C₂ = 1000 log (1 + 255) = 8000 бит в секунду.

Итак, при увеличении превосходства сигнала над шумами в 255 раз максимальный поток информации возрастет всего в 8 раз.

Величину С называют емкостью или пропускной способностью системы связи. Если скорость передачи идеальными сигналами J меньше или равна C, т.е. J ≤ C, то в идеальной системе связи можно осуществить передачу без ошибок.

– Неужели К. Шеннон не раскрыл тайну этих сигналов?

– Он сделал это частично. Из его анализа следует, что эти сигналы с избыточным кодированием, а их форма должна быть подобна... флюктуационному шуму. При этом избыточные символы могут отстоять очень далеко от сигнала, вклиниваясь в сигналы, следующие за данным. Поэтому на приеме возникает большое запаздывание сигналов. В пределе, когда скорость приближается к емкости, (J → C) время запаздывания стремится к бесконечности (Δt·W → ∞).

Ясно, что польза (П) от системы в этом случае одновременно стремится к нулю (П → 0).

– Значит, формула К. Шеннона бесполезна?

– Отнюдь. Она показала принципиальную возможность построения систем, при некоторых условиях работающих без ошибок.

– Но для этого надо уметь построить идеальный сигнал?

– Верно. Поиск таких сигналов после работ К. Шеннона идет очень интенсивно. Уже предложена и используется на практике добрая сотня разных типов кодированных сигналов, которые в той или иной степени приближаются к идеальным.

Более того, созданы системы связи, которые работают практически без ошибок.

Что значит практически?

Отвечу примером. Для вывода искусственного спутника Земли на строго определенную орбиту надо отключить реактивный двигатель точно в тот момент, когда величина и пространственная ориентация вектора скорости ракеты будут равны (с заданным допуском) расчетной.

Сбой команды или ее подделка шумами может вызвать катастрофу. Поэтому реализуемое соотношение сигнала и помех, вводимые избыточности и, конечно, надежность самой аппаратуры командной линии должны гарантировать успех.

Поэтому при проектировании командной радиолинии задают очень малую вероятность P ее нарушения. Например, принимают: P = 1/1 000 000 000 = 10^–9.

Это значит, что в среднем при передаче тысячи миллионов команд только один раз произойдет ошибка. Такую командную линию можно практически считать действующей без ошибок.

Еще несколько слов об идеальных сигналах К. Шеннона. Его открытие, что шум есть лучший сигнал, было сенсацией. Но оно вызывало сомнения. Из формул непререкаемо следовало, что именно сигнал в форме шума является самым неожиданным для получателя и поэтому может быть самым эффективным для связи.

– Информация – это нечто упорядоченное. Шум – это непрерывно меняющийся хаос. Как совместить эти два свойства в одном?

– Точно такой вопрос задавали в свое время многие. Но прошли годы и были найдены способы, и довольно простые, построения и использования таких сигналов.

Впоследствии оказалось, что лучше использовать не сам шум, а из тех же сигналов ДА и НЕТ набирать по определенным правилам их последовательность.

Эти сигналы назвали шумоподобными, ибо по своим свойствам они близки к шуму. Системы связи с такими сигналами быстро развиваются в наше время. Они позволили решить ряд новых задач. Примеры. Можно спрятать сигнал под шумами и благополучно его принять, невзирая на сильное различие их мощностей. Это различие можно сделать 1/100, 1/1000... в пользу помех. Далее можно вырезать часть спектра сигнала, если на него «села» очень мощная помеха, и не потерять сигнал. Можно разделить несколько копий сигнала, если они приходят со сдвигом во времени, вместо одного посланного.

Но у шумоподобных сигналов есть и своя ахиллесова пята. Это... необходимая полоса частот. Замена аккуратного плавно очерченного сигнала (именно такую форму он принимает в канале связи) на хаос шума или псевдошума требует резкого расширения полосы частот, необходимой каналу связи. В зависимости от задачи требуется расширение полосы от десятков до тысяч и более раз. В ряде случаев идут на это. Игра, как мы видели, может стоить свеч.

Таким образом, введение модели «идеальный приемник» и модели «идеальная система связи» оказалось очень плодотворным. Они раскрыли предельные возможности защиты приемников от помех, показали большую эффективность избыточного кодирования и стимулировали поиск сигналов, близких к идеальным.

– Насколько я понял, введение избыточности в сигнал и использование шумоподобных сигналов позволяют хорошо защитить передаваемую информацию от воздействия помех. Почему же бывают, и не так уж редко искажения в телеграфных, телефонных и других линиях связи?

– Я боялся этого справедливого вопроса. Но придется признаться. Пока удалось частично справиться с помехами в основном в дискретных каналах, где идут посылки типа ДА-НЕТ, и то далеко не во всех.

За введение избыточности надо платить почти золотом: либо снижать скорость передачи, либо расширять занимаемую полосу частот (а ее уже давно не хватает во многих диапазонах).

При этом надо усложнять приемник; наделять памятью, логикой, умением умножать, делить... У приемника, по существу, появляется своя небольшая электронно-вычислительная машина.

Ясно, что применить «золотую» избыточность и элементы ЭВМ даже во многих дискретных системах и нет возможности, и не везде это надо.

Теперь о музыке, пении, речи. О том, что мы слушаем дома с помощью радиоприемника. Ввести избыточность в эти сигналы, не искажая их, для борьбы с помехами тоже можно.

Например, одновременно передавать одну программу на трех волнах. Принимать на три приемника (или на один встроенный). На выходе как-то суммировать эти три сигнала или выбирать лучший из них. Это требует опять-таки тройного расширения полосы и увеличения стоимости приемника в три раза. Пойти на это нельзя. Хотя бы потому, что радиовещательные диапазоны загружены и перегружены.

– Как вы нам уже доказали, и музыку, и пение можно превратить в посылки ДА-НЕТ. Затем применить избыточное кодирование и избавиться практически от шумов. Тогда и настанет рай для радиослушателя.

– Рассуждения логичны. Но Оппонент запамятовал, что перевод музыки и пения в посылки ДА-НЕТ потребует опять-таки расширения занимаемой полосы в десятки и сотни раз!

Конечно, такая система будет куда лучше простого повторения на соседних волнах, но где взять в десятки раз более широкую полосу? Долгие годы считали, что это утопия.

И вдруг такая возможность неожиданно открылась.

Земля – ИСЗ – Земля

В годы после второй мировой войны в технике передачи сообщений назревал кризис. Жизнь требовала передачи по всей планете все большего и большего потока сообщений. Средства связи не справлялись с ним. Особенно плохо обстояло дело с передачей на большие расстояния.

– Какая же тут проблема? Натягивай побольше проводов и кабелей из одной точки в другую, строй новые радиостанции.

– К сожалению, эти пути принципиально не решали задачу. Проводами и кабелями ведь нельзя опутать всю Землю. Не хватит ни сил, ни средств. С радиоволнами тоже не получалось.

Волны в тех диапазонах, где можно разместить огромное число каналов связи (метровые, дециметровые и сантиметровые), никак не распространяются на большие расстояния. Их зона действия – прямая видимость. Чем выше передающая и приемная антенны, тем больше дальность. Останкинская башня, имея высоту 535 метров, охватывает радиовзором круг радиусом всего лишь около 100 км.

Кроме способности передавать огромные потоки информации, эти волны имеют еще одно ценное качество. Уровень внешних помех очень мал. Поэтому сигнал должен в основном сражаться только с собственными шумами приемника.

Конечно, можно заставить их преодолевать большие расстояния. Для этого надо через каждые 30...40 км строить высокую башню с ретранслятором. Это тоже очень дорого и трудоемко.

Волны, достигающие любой точки планеты (короткие волны), могут вместить очень небольшое число каналов.

Но это еще не все. Ведь короткие волны огибают Землю не по доброй воле. Они рвутся в космос, но встретив на своем пути электрическое зеркало, отражаются и возвращаются на Землю.

Этот отражающий слой, называемый ионосферой, окружает нашу планету. Расстояние между слоем и поверхностью Земли около 300 км. Ионосфера зеркально отражает короткие волны, но беспрепятственно пропускает более быстрые колебания, в том числе и световые. Зеркало образовано слоем свободных электронов, то есть оторванных от своих атомов. Это результат ионизации верхних слоев атмосферы солнечной радиацией. Армия хаотически движущихся электронов неисчислима. В одном только кубическом сантиметре их можно насчитать миллионы! Вот они и отталкивают волны обратно на Землю. Зеркало подобно океану. Там бушуют свои электрические волны. В результате – неустойчивость связи. Иногда можно установить связь с корреспондентом-антиподом при мощности передатчика меньше мощности слабой осветительной лампочки, как это делал Э. Кренкель на льдине первой дрейфующей у Северного полюса станции СП-1. Иногда можно посылать тысячу киловатт мощности, ловить сигнал на несколько антенн, несколькими приемниками – и не установить связи. Часто это электрозеркало работает странно. Становится как бы кривым и состоящим из нескольких зеркал. Вместо одного отраженного сигнала присылает на Землю несколько его копий, сдвинутых во времени, по-разному искаженных, Возникает явление многолучевости, о котором мы уже говорили.

Для борьбы с ним можно было бы применить шумоподобные сигналы. Но это требует, как мы уже видели, обязательного расширения полосы частот канала в десятки раз, а диапазон этих дальнобойных волн уже и так сильно перегружен. Вы это прекрасно знаете. На каждой десятой доле миллиметра шкалы коротковолнового приемника «сидят» радиостанции и зачастую по нескольку штук на одной частоте или очень близких частотах. Раздельный их прием часто не удается. Поэтому переход на шумоподобные сигналы в этом диапазоне делается только в особо ответственных системах и зачастую на очень короткое время.

Таким образом, построить глобальную или хотя бы дальнюю систему связи в диапазоне коротких волн с большим потоком информации – например телевизионную – и с высокой достоверностью абсолютно невозможно.

– Но ведь есть еще один тип волн, который огибает земной шар и может решить проблему. Это длинные и сверхдлинные волны.

– Эти волны, по законам дифракции, действительно следуют за кривизной Земли. Но частотный диапазон этих волн значительно меньше даже КВ диапазона. В нем нельзя разместить один (только один!) телевизионный канал. Поэтому длинные волны используются для передачи малоинформативных навигационных импульсов и длительных телеграфных посылок. Интересной их особенностью является слабое затухание в толще земли или воды. Например, самолет, используя эти волны, может держать связь с погруженной подводной лодкой. Но для уверенной связи ему придется иметь антенну, по размерам близкую к длине волны, протяженностью в... сотни метров. Для этого самолет выбрасывает шлейф такой длины.

О лазерном луче мы уже говорили. Он может преодолеть миллиарды километров в космосе, если не встретит препятствий, например пылевидного облака, но не может преодолеть линию горизонта. Кроме того, атмосфера делает такую связь неустойчивой.

Вот мы и перебрали все виды радиоволн. Убедились, что их характер не позволял создать надежные локальные (для стран с большой территорией) и тем более глобальные системы связи. Так дело обстояло до середины пятидесятых годов текущего столетия.

Эта мрачная, тупиковая ситуация принципиально изменилась в связи с запуском в Советском Союзе первого искусственного спутника (ИСЗ) нашей планеты. Человеку наконец удалось разорвать цепи тяготения. Создано искусственное тело, которое вопреки тысячелетнему опыту человека, будучи брошено в небо, не падает тут же обратно!

Даже воображение лучших фантастов мира не смогло предугадать, какие земные задачи сможет решить ИСЗ. Одна из них – это возможность построения локальных и глобальных систем связи с огромным числом каналов. Ведь ИСЗ может быть отличным ретранслятором сигналов! Но каким ретранслятором! Поднятым над поверхностью Земли на сотни и тысячи километров.

Из других задач назовем разведку полезных ископаемых с помощью ИСЗ. Фотографируя планету в разных диапазонах видимого и невидимого световых спектров, можно обнаружить или предсказать залежи полезных ископаемых без предварительного бурения коры.

К чему же мы пришли? Фантасты будоражат мысль, подталкивают на решение смелых, грандиозных задач. Решая эти задачи, люди делают новые открытия, которые и не снились фантастам. Такова диалектика научного и технического прогресса.

ИСЗ могут быть запущены по разным орбитам. Советский связной спутник «Молния» выполняет свои функции, двигаясь по вытянутой эллиптической орбите. Она расположена так, что ИСЗ виден одновременно почти во всех точках территории Советского Союза в течение десятка часов. Вот и получается «башня», правда, движущаяся, которая может всем слать сигналы. Ей надо, конечно, предварительно сообщить, что надо ретранслировать. Для этого используется остронаправленный канал связи «Земля – ИСЗ». «Башня» принимает этот сигнал, усиливает его и затем облучает им. всю или почти всю видимую со спутника территорию. Так осуществляется радио- и телевизионное вещание. Наземные станции «Орбита», разбросанные почти по всей территории Союза и в ряде других стран, принимают эти сигналы и передают их по местной сети.

Поскольку наша «башня» подвижная, то жестко фиксированная на ней антенна не годится. Антенна должна быть умной и смотреть все время только на Землю. Солнечные батареи, питающие ретранслятор, должны все время быть ориентированы на Солнце. Эти две задачи решает система ориентации на спутнике.

Но можно запустить спутник, который будет неподвижно стоять над выбранной точкой земной поверхности. Положение антенн у него может быть фиксировано. Спутник только кажется неподвижным. На самом деле он пробегает тот же угол, что и мы вместе с Землей, на которой стоим, наблюдая его. Есть только одна-единственная орбита для такого, названного стационарным, спутника. Любопытно, что она была предсказана теоретиками задолго до прорыва в космос. Эксперименты блестяще подтвердили теорию. Стационарные спутники запущены в США и Советском Союзе. Уникальная орбита таких ИСЗ расположена в экваториальной плоскости и является окружностью с радиусом округленно 36 тысяч километров. Вот это башня! Но и она, естественно, не может охватить своим антенным оком всю поверхность. Для создания глобальной системы связи нужны по крайней мере три таких равноудаленных ИСЗ на этой орбите. И конечно, система связи между этими стационарными спутниками.

Подведем итоги. Небольшой металлический шарик диаметром чуть больше полуметра с четырьмя торчащими антеннами, первый в мире ИСЗ, открыл эру деятельности человека в космосе. Сегодня мы уже пользуемся многими плодами этой деятельности. Одна из решенных задач: преодолено «упрямство» радиоволн, способных транспортировать огромные потоки информации. С помощью ИСЗ их заставили нести груз информации в любую точку планеты.

На базе уже действующих локальных систем связи с ретрансляцией через ИСЗ, несомненно, скоро будет создана глобальная система связи.

В Советском Союзе идет интенсивная разработка единой автоматизированной системы связи (ЕАСС), которая должна обеспечить передачу любой информации между любыми пунктами страны. В этой системе значительная часть информации будет передаваться через ИСЗ, особенно на большие расстояния.

Трудности в создании ЕАСС связаны с необходимостью объединить существующие и вновь создаваемые телеграфные, телефонные, фототелеграфные и телевизионные каналы связи в единую систему. При этом надо учесть, что в ближайшем будущем основными потребителями информации станут вычислительные и управляющие центры. Эта информация будет в основном дискретной, то есть состоять из посылок типа ДА-НЕТ и им подобным (об этом в следующем разделе).

Как мы видели, такой способ связи является универсальным, позволяющим не только передавать любую информацию, но и надежно защитить ее от помех.

Таким образом, использование дискретных сигналов, в первую очередь посылок ДА-НЕТ, позволяет унифицировать передачу любой информации и осуществить техническое единство системы ЕАСС.

К эре ЭВМ и роботов

Оглавление

Дата публикации:

4 августа 2001 года

Текст издания:

Петрович Николай Тимофеевич. Люди и биты. Информационный взрыв: что он несет. М.: Знание, 1986.

Дата обновления:

4 августа 2001 года