Борис Крук - ...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

Представьте хотя бы на минуту, что вам предложили реализовать проект Морзе в наши дни, но на основе современных средств — радиорелейной линии связи. Это означало бы, что на длине трассы должно быть построено около 500 промежуточных ретрансляционных станций, с приемопередающим оборудованием, башнями, антеннами. Даже по современным понятиям это очень дорогой проект. Поэтому усилия ученых многих стран направлены на то, чтобы увеличить расстояние между радиорелейными станциями.

Как-то одному из авторов этой книги довелось участвовать в испытаниях ультракоротковолновой радиоаппаратуры, передающей в цифровой форме физиологические параметры: частоту пульса, дыхание, кровяное давление и пр. Испытания проводились в горах Ала-Тау — аппаратура предназначалась для исследования адаптации человека к высокогорным условиям.

Автор хорошо помнит, как на высоте остро ощущался недостаток воздуха: затруднялось дыхание, ухудшалось самочувствие. До середины XVII в. воздух считался невидимым и невесомым. Только в 1642 г. итальянский ученый Э. Торричелли впервые доказал, что воздух имеет вес и давление. В 1646 г. француз Перье обнаружил, что на вершине горы давление меньше, чем у ее подножия. Сейчас даже школьники знают, что воздух — это смесь газов. Воздушная оболочка Земли — атмосфера — защищает растительный и животный мир от пагубного воздействия ультрафиолетовых солнечных и космических лучей. Без нее наша планета была бы такой же безжизненной, как Луна.

Хотя атмосфера простирается вверх на многие сотни километров (до 2 000 км), основная масса воздуха сосредоточена в нижнем, довольно тонком слое — до 10–12 км. Выше уже наблюдается значительное разрежение воздуха. Этот слой называют тропосферой. Именно в нем бушуют ветры (иногда сверхураганные — со скоростью 300 км/ч), возникают облака, выпадают дожди, снег и град. В результате слои воздуха все время перемешиваются, образуются завихрения (турбулентности). Все это свидетельствует о том, что тропосфера неоднородна по своей структуре.

Нельзя ли использовать эти свойства тропосферы для дальней радиосвязи? Ведь, как известно, диэлектрическая проницаемость воздуха у неоднородных слоев различна. Значит, эти слои будут в разной мере поглощать и отражать радиоволны.

Если сконцентрировать радиолуч и направить его под небольшим углом в тропосферу, то он почти полностью потеряется в пространстве за ее пределами. Но на пути луча обязательно встречаются воздушные неоднородности, которые частично отражают и рассеивают радиоволны. Часть из них возвращается на землю и попадает в приемную антенну. Радиомост начинает действовать!

Выстраивая цепочку таких приемопередающих станций, получают тропосферную радиорелейную линию связи. Ее основное преимущество перед радиорелейной линией "прямой видимости" состоит в том, что расстояние между промежуточными ретрансляционными станциями удастся увеличить до 300–500 км. Почти в 10 раз!

Казалось бы, изобретение тропосферной УКВ-радиосвязи должно стать началом "конца" радиолиний, антеннам которых необходимо "видеть" друг друга. Но не спешите восклицать "эврика!". Как сказал однажды знаменитый гражданин города Рима, оратор и писатель Марк Туллий Цицерон (106-43 гг. до н. э.): "Ничто не бывает одновременно и изобретенным, и совершенным". Так и здесь. Из-за того, что в тропосфере теряется значительная часть энергии радиоволны, передатчик должен иметь весьма приличную мощность (в сотни раз большую, чем в обычных РРЛ), а приемная антенна должна быть достаточно больших размеров (применяют параболические зеркала диаметром до 30 м, установленные на высоте 10–20 м). Кроме того, отразившись от тропосферы, радиолуч расщепляется на множество лучей, взаимодействие которых в приемной антенне приводит к сильным замираниям радиоволн. Как следствие, ухудшается качество передачи информации. Часть ее во время глубоких замираний может пропасть вообще.

Конечно, с замиранием борются всеми доступными способами: "ловят" сигнал не одной, а двумя разнесенными в пространстве антеннами (какой луч лучше, тот и выбирают); "дублируют" передачу информации на нескольких радиоволнах разной длины. Однако широкого распространения тропосферные РРЛ все же не получили. Их строят обычно в труднодоступных районах, где нельзя проложить кабель и не удается ставить часто (через 50 км) станции обычных РРЛ (например, в полярных широтах).

Посмотрите ночью на звездное небо. Вы обязательно заметите, как на несколько секунд "вспыхивает" слабосветящаяся тонкая ниточка. Но это не "звезда со звездою говорит". Это след метеора. Бывают ночи, когда можно увидеть особенно много метеоров. Они появляются один за другим и кажутся разлетающимися во все стороны из одной точки на небе. Этот рой метеорных частиц образует метеорный поток. Иногда их бывает так много, что наблюдается настоящий "звездный дождь".

Метеорные потоки возникают в процессе распада комет. В межпланетном пространстве твердые частицы комет движутся с огромной скоростью — до 70 км/с. Врываясь в земную атмосферу, они нагреваются до нескольких тысяч градусов, вскипают и испаряются. Раскаленный и светящийся газ мы и наблюдаем в виде "падающей звезды" — метеора. Большинство метеоров сгорает на высоте 80-120 км. Протяженность следа достигает 10–25 км, а время его существования — от 5 до 20 мс.

Оказалось, что следы метеоров хорошо отражают радиоволны. А что если с помощью антенны направить радиолуч на метеорный след? Когда ученые сделали это, то они увидели, что сигнал, улавливаемый приемной антенной, настолько сильный, что можно использовать передатчик небольшой мощности и несложные антенны. Такая линия связи получила название метеорная . Вот только есть у нее один недостаток: передавать биты удается лишь в те промежутки времени, когда на небе появляются метеоры. До этого биты хранятся в памяти, а в момент появления пригодного для связи метеорного следа они "выстреливаются" радиолучом в пространство. Поэтому "коэффициент полезного действия" метеорной линии связи очень мал: передача информации занимает только 10–20 % всего времени.

Космические гости — метеоры — живут мгновения. Постоянные обитатели Вселенной — звезды — существуют вечность. Сколько же всего звезд на небе? Фотографический атлас неба состоит почти из 900 листов. В нем собраны "портреты" почти 2 млрд звезд. И среди них наша ближайшая спутница — Луна.

— А ведь Луну можно использовать в качестве промежуточного ретранслятора, — догадается наш проницательный читатель.

Да, притом "бесплатного" и вечного. Радиолуч направляется на Луну, отражается от ее поверхности и возвращается на Землю. Поскольку на Луне нет приемника и передатчика, то она будет выступать в роли пассивного ретранслятора. Ничего невозможного в организации такой "лунной" радиолинии нет. В 60-х годах XX столетия "роль" пассивного ретранслятора "сыграла" другая звезда — Венера, которая расположена от Земли еще дальше, чем Луна. Правда, не нужно забывать, что до ближайшей нашей спутницы примерно 400000 км. Поэтому отраженные от нее радиоволны вернутся на Землю очень ослабленными и для их приема потребуются громадные чувствительные антенны. Да и передатчики наземных станций придется делать очень мощными. Немаловажно, что космический радиомост Земля-Луна-Земля может существовать лишь в те часы, когда Луна видна на Земле.