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

Помехи... Это не только злейший и коварный враг информации, но и самый древнейший. Первой вступила с ним в поединок природа. В процессе ее эволюции зарождался и совершенствовался обмен биологической информацией между существами, населявшими Землю: рыбами, птицами, животными. Одновременно совершенствовались и приемники этой информации, возрастала их способность противостоять вредному действию помех. И в этом направлении природа достигла феноменальных результатов!

Слух лесного жителя - совы - обладает удивительно высокой помехоустойчивостью. Приемники звуковых колебаний - органы слуха - настроены на восприятие наиболее важных для совы звуков: писков мышей, шорохов грызунов в траве, голосов птенцов и т.д. Все лишнее отсекается. Природа будто бы специально позаботилась сделать сове своего рода акустический фильтр, пропускающий звуки с частотой 3-7 тыс. Гц и подавляющий звуки, которые являются помехой при восприятии информации, например шумы леса. Не эту ли уникальную "разработку" природной лаборатории копируют ученые, когда устанавливают электрические фильтры на входе приемников радиорелейных и спутниковых систем передачи? Ведь здесь все происходит так же, как у совы: фильтры пропускают колебания только тех радиочастот, на которых работают эти линии, и ослабляют тем самым действие помех, которые занимают практически весь радиодиапазон.

Загадкой природы называют ученые дельфина. Совсем недавно, всего около 40 лет назад, была раскрыта одна из удивительных загадок дельфина - способность его к ультразвуковой эхолокации. Словно радар, посылает он в пространство короткие локационные импульсы и по отраженному от объекта эхосигналу определяет характер этого "объекта" и расстояние до него. Но поразительнее всего то, что дельфин может слышать очень слабый отраженный сигнал (например, эхо от дробинки, бесшумно опущенной в воду на значительном расстоянии от него) в сильных шумах, которые создают само вечно шумящее море, голоса его обитателей, эхо от посторонних предметов - дна, поверхности воды, тел других дельфинов, снующих рядом, и т. и. На какое же изобретение нужно на этот раз выдать патент природе, создавшей такой совершенный приемник ультразвуковой информации, безошибочно воспринимающий сверхслабые эхосигналы в таком невообразимом хаосе посторонних звуков?

Дело, оказывается, в том, что "приемная антенна" эхолокатора дельфина максимально чувствительна к ультразвуковым волнам, движущимся строго навстречу дельфину. Слышимость им звуков, приходящих сбоку, резко понижена. Профессор В.П. Морозов, многие годы занимавшийся биоакустикой дельфинов, сравнивает этот узкий ультразвуковой канал, по которому дельфин слышит только эхо и не слышит окружающего шума, с трубкой фонендоскопа, при помощи которой врач выслушивает больного. Специалисты по связи сказали бы в таком случае, что "антенна" локатора дельфина имеет узкую диаграмму направленности. Кстати, у дельфина есть еще и "антенна" с круговой диаграммой направленности, или кругового обзора, которая позволяет животному слышать все вокруг. Причем обе антенны "работают" на разных частотах, не мешая друг другу.

Обратите внимание, для борьбы с помехами в радиорелейных и спутниковых линиях связи на приемных станциях устанавливают антенны с очень узкой диаграммой направленности. Они "слышат" только те радиоволны, которые приходят точно с одного направления - от передающей станции. Любопытно, не правда ли? Может быть, в природной "лаборатории" есть решения на все случаи жизни? Как только добыть их?

Вот другой интересный факт. В локационном приемнике дельфина применяется еще один способ повышения помехоустойчивости, который называют временным стробированием. Его суть состоит в том, что приемник "работает" не все время, а "включается" только в момент возможного прихода эхосигнала от интересующего дельфина объекта. Это надежно защищает поступающую информацию от вредного действия помех - массы ненужных звуков (главным образом, эха от посторонних предметов), приходящих в другие моменты времени, и позволяет избежать ошибки при принятии решения о наличии или отсутствии отраженного сигнала и затем об измеряемом расстоянии до объекта. Не напоминает ли это вам прием, используемый в регенераторах цифровых систем передачи, когда решение о наличии или отсутствии импульса принимается компаратором не все время, а только в моменты возможного появления середины импульса?

Самое совершенное творение природы - "гомосапиенс" (человек разумный). Но, кажется, она наделила человека разумом затем, чтобы всю свою жизнь он посвятил борьбе с помехами. Передачу информации на расстояние люди осуществляли с глубокой древности. Естественно, что, зажигая цепочки сигнальных костров, посылая вдаль звуки барабана, сигнализируя дымом, нужно было одновременно проявлять заботу и о том, чтобы помехи не сорвали передачу: дождь не залил костры, ветер не отнес звуки в противоположную сторону, туман не скрыл дым...

Со временем люди стали нуждаться в более совершенных формах обмена информацией. Появилась письменность. Она совершенствовалась в течение многих поколений, и на всем этом долгом пути прослеживалось противоборство двух тенденций. Первая из них отражала стремление к более краткой передаче информации (с помощью небольшого количества знаков) и привела в конечном счете к иероглифическому письму. Каждый иероглиф обладает большой информативностью, запись текста с их помощью занимает небольшое пространство. Но вместе с тем небольшая ошибка в начертании иероглифа приводит к тому, что информация воспринимается неверно. Так, увеличение информативности знаков повышает вероятность ошибочного их понимания. (За все нужно платить!) Вторая тенденция в развитии письменности заключалась в стремлении к безошибочной передаче содержания текста. Результатом явилось создание буквенного, или алфавитного, письма. Эта система позволяет в большинстве случаев правильно понять текст, даже если в нем пропущено или искажено несколько букв. Такое свойство алфавитного письма называют "избыточностью". Конечно, избыточность удлиняет запись (некоторые буквы можно было бы выкинуть из нее без ущерба для содержания), но зато она уменьшает вероятность ошибочного понимания текста при его искажении.

В некоторых языках (как древних, так и сохранившихся поныне) для записи слов используются только согласные буквы. Считается, что необходимые гласные звуки добавит при прочтении сам читающий. Ясно, что подобное устранение избыточности из языка делает его более уязвимым перед искажениями.

Все, что мы говорили о письменности, относится и к другим видам информации. Чем больше ее избыточность, тем более помехоустойчивой она является. А нельзя ли искусственно ввести избыточность в цифровую информацию, представленную двоичными цифрами 0 и 1? Можно, но за это придется "платить". Поясним, в чем тут дело. Например, в коде Бодо каждая буква заменяется S-разрядным двоичным кодом, т.е. пятью битами 0 и 1. Данный код не является избыточным, так как искажение любого бита приводит к декодированию вместо переданной другой буквы, т. е. к ошибке. Сделать код избыточным можно только одним путем: добавить дополнительные биты к уже имеющимся. Но это приведет к тому, что каждая буква будет теперь передаваться медленнее. Так, введение в информацию избыточности влечет за собой снижение скорости ее передачи. Вот об этой "плате" и шла речь выше. Тем не менее разработчики цифровых систем передачи часто вполне сознательно идут на такой шаг - делают информацию избыточной с тем, чтобы обнаружить ошибки в принятых комбинациях двоичных символов, а если возможно, то и исправить их.