Пусть на передаче и на приеме имеется по два таких генератора. Каждая пара (первая и вторая) генерирует свои одинаковые шумы. Далее уславливаемся, что посылку Да будем передавать, включая первый генератор, для передачи Нет — второй. На приеме остается только сличить пришедший шум с двумя местными и решать, что передавалось — Да или Нет.
В настоящее время к упомянутым основным способам модуляции надо добавить еще несколько десятков их модификаций. Это плоды развития теории информации. Я как-то взял лист ватмана и попытался их все собрать воедино и классифицировать. К первому листу пришлось подклеить второй, но и он не уместил всех способов. Листы пестрели всевозможными сочетаниями букв (сокращенные названия способов). В глазах рябило, но стройности не получилось. Дело уперлось, как это часто бывает, в удачный критерий сравнения.
Боюсь, читатель, что если мы здесь начнем снова раскладывать их по полочкам, то увязнем в опасной трясине.
Давайте поступим иначе.
Будем для простоты рассматривать только два вида сигналов: непрерывное гармоническое колебание (переносчик без всякой модуляции) и посылки типа Да — Нет. Первый может использоваться для начальной сигнализации и привлечения внимания. Второй для передачи информации.
Как мы видели, в посылки Да — Нет можно превратить информацию любой сложности. Этот способ передачи является самым грубым и, следовательно, самым стойким против помех. Поэтому использование его в межзвездной связи и вероятно и целесообразно. Наложение посылок Да — Нет на волну мы рассмотрим в следующем разделе.
Теперь обратимся к модному в последние годы в радиотехнике слову: избыточность. Что же такое избыточность? Грубо говоря, это то пятое колесо, которое возят автомобилисты на случай прокола.
Передача определенного количества информации обязательно требует некоторого минимального времени Δt и некоторой минимальной полосы частот Δf (ширина частотного коридора). Можно менять значения Δt и Δf, но их произведение при передаче одной и той же информации должно оставаться постоянным. Так, замедлив передачу в три раза (то есть заняв время 3Δt), можно сузить необходимую полосу в три раза (Δf/3). Но 3Δt · Δf/3 = Δt · Δf = CONST.
Если мы хотим для большей надежности передачи повторить ее, скажем, пять раз, то мы займем время не Δt, a 5Δt. Это и есть передача с временнóй избыточностью: мы занимаем в пять раз большее время, чем минимально необходимое. Можно такое повторение проводить не по времени, а по частоте: передавать одну и ту же информацию на пяти несущих частотах, но для этого потребуется пять передатчиков. Тогда время передачи останется то же, а полоса частот, занимаемая сигналом, станет равной 5Δf. Тем самым мы ввели частотную избыточность.
Простое повторение — это самый накладный метод введения избыточности. Однако есть и более экономные, требующие меньшего увеличения Δt или Δf. Все они являются методами корректирующего кодирования сигналов, когда к посылкам, несущим информацию, приставляют дополнительные, или избыточные, посылки. И это делает чудеса: они могут шепнуть на приеме, какая из информационных посылок до неузнаваемости искажена помехами; более того, при большом числе избыточных посылок они не только угадывают, какая же посылка на самом деле была послана на передаче, но и сами автоматически исправляют искаженную!
В очень ответственных системах применяют иногда одновременно и временную и частотную избыточность.
Интересно отметить, что частотную избыточность легко ввести, заменяя посылки отрезками шума. Изменяя «среднюю скорость» шумового хаоса, можно изменять в широких пределах полосу, занимаемую шумовой посылкой. Такая избыточность рождает удивительные свойства. Например, можно отсечь больше трех четвертей частотного спектра сигнала, а он продолжает трудиться и переносить информацию (как бодро бегущая ящерица с отсеченным хвостом). Это «безразличие» сигнала к своему спектру позволяет чисто хирургически бороться с мощными помехами в полосе частот сигнала. Их безжалостно вырезают с частью сигнала.
Невообразимые дальности межзвездной связи и начальная неизвестность адреса корреспондента потребуют, вероятно, широкого введения избыточности в сигналы этих систем связи.
Существует множество способов для наложения сигналов Да — Нет на радиоволну.
Какой же из них лучший с точки зрения нашей задачи? Выбор зависит от врага номер один — помехи. Ведь он не дремлет, особенно в длиннющих космических радиолиниях. Оказалось, что лучше всего противостоят помехам сигналы Да — Нет, запрятанные в фазу сигнала, если их фаза сдвинута на максимальный угол — 180 градусов. Это положение было доказано советскими учеными А. Пистолькорсом и В. Сифоровым еще в начале тридцатых годов.
Человечки на нашем рисунке изображают фазовые посылки. Переход с ног на голову или наоборот соответствует повороту фазы на 180 градусов.
Шли годы, как пишут в романах, а этот способ не находил применения. Все упиралось в смышленый приемник. Он должен четко чувствовать или различать фазы: при одной фазе «говорить» на выходе Да, при другой — Нет. Но ведь фаза — это время, точнее, величина, определяющая положение сигнала во времени. Смещая синусоиду во времени, мы меняем ее фазу. Упрощенную модель фазового канала можно мыслить так. На передаче и на приеме имеются часы. Мы их сверили и внесли поправку на время прохождения радиоволны от передатчика к приемнику. Далее условились, например, так: посылки, приходящие в четные секунды, всегда означают Да, а в нечетные — всегда Нет. В действительности нужны часы, отсчитывающие миллионные доли секунды и автоматически проверяющие, чему соответствует фаза сигнала: Да или Нет.
В толстых пыльных папках патентных библиотек можно найти сотни очень остроумных предложений по построению такого фазового приемника, по созданию точных магических часов на передаче и на приеме. Но ни один из них не давал уверенного приема. Да и Нет вели себя как цирковые акробаты. То они хранили заданное на передаче положение: Да стоит на ногах, а Нет вверх тормашками на руках. То вдруг на некий случайный отрезок времени все Да вставали на руки, а все Нет на ноги. Это происходило и из-за незначительного изменения режима работы приемника, и из-за действия помех. Предугадать эти массовые акробатические номера (названные «обратной работой») было невозможно. Поиски схемы, свободной от этого недостатка, продолжались безрезультатно более 25 лет. Я тоже многие месяцы все свободное время отдавал этой головоломке. Но Да и Нет продолжали издеваться. В конце концов неудачи привели меня к вопросу: а возможен ли такой приемник принципиально?
Удалось строго математически доказать, что хаотический танец Да и Нет неизбежен, а фазовый приемник без «обратной работы» при классических фазовых сигналах — чистейший миф. Магические часы принципиально нельзя заставить идти точно. Было жаль времени и сил, потраченных зря.
Как-то, изнывая от смертельной тоски в очереди, я механически чертил на обрывке газеты сигналы в разных фазах. Действовали силы инерции периода борьбы с «обратной работой». Вдруг совершенно четко, как на киноэкране, я увидел новые фазовые сигналы, которые принципиально устраняют эту проклятую «обратную работу».
Для их формирования, во-первых, надо отказаться от одинаково идущих часов в передатчике и в приемнике. Их надо выбросить на свалку. Отсчет времени или фазы в точку приема должен приносить сам сигнал. В него и надо на передаче врубить метки времени. Но оказывается, это лишнее. Метки уже есть: фаза несущего колебания каждой посылки и есть отличная метка времени.
Во-вторых, для эксплуатации этих меток следует немного изменить метод манипуляции фазы: надо фазу каждой посылки отсчитывать не по единым часам (которые мы уже выбросили), а от фазы ранее переданной (предыдущей) посылки. Например, так: для передачи Нет берем фазу, обратную предыдущей (или сдвинутую от предыдущей на 180 градусов). Соответственно изменяется и метод приема: каждая предыдущая посылка (она же метка времени) хранится в памяти приемника до прихода следующей и сопоставляется с нею в блоке сравнения. Каждая посылка несет свою информацию и одновременно является меткой времени (часами) для приема последующей.
На рисунке верхние человечки изображают посылки, идущие со входа, а нижние — те же посылки, но прошедшие через линию задержки. Если человечки стоят одинаково — оба на ногах или оба на руках, — то передается плюс. Если стоят по-разному, то минус. В этом случае «обратная работа» принципиально устраняется. Даже если произойдет переворот всех посылок на обратные, информация не исказится, поскольку перевернется как данная, так и ей предшествующая посылка, а их соотношение (одинаковые они или разные) сохранится.
Поражала предельная простота метода. Неужели я первый набрел на этот лежащий на самой поверхности способ передачи и приема? Не может быть! Тут, наверное, ошибка в рассуждениях. К утру уже сомнений не было — все получается! Акробатика уничтожена. Да и Нет уже не меняются местами. Но еще три года ушло на то, чтобы создать такой канал связи. Авторское свидетельство было выдано после двухлетнего спора с экспертами. Их сбивала элементарная простота метода.
Сейчас этот метод известен под названием относительной фазовой телеграфии (ОФТ). Он попал в учебники. Слово относительный подчеркивает, что фаза данной посылки отсчитывается относительно предыдущей. ОФТ находит широкое применение в различных системах связи, особенно там, где нужно получить предельную помехоустойчивость (или скорость) передачи.