Сигнал в его простейшей форме может принимать два дискретных и вполне определенных значения. Например, на сигнальной башне огонь есть — огня нет. Яркость огня никакого значения не имеет, лишь бы огонь было ясно видно.
В телеграфной азбуке Морзе сигнал тоже может принимать только два дискретных значения: пищит-не пищит, есть ток — нет тока, передатчик излучает электромагнитную волну — не излучает.
Кстати говоря, не бывает сигнала, принимающего только одно дискретное значение. Например, если костер на башне жгут постоянно или не зажигают вовсе, то нет никакой возможности узнать, когда же вторгся неприятель.
Во всех разобранных случаях использован простейший двоичный или бинарный код. Наличие сигнала удобно обозначать символом «1», отсутствие «0». Сигналы, передаваемые двоичным кодом, удобны во многих отношениях. Как и любые цифровые дискретные сигналы, их можно регенерировать, т. е. восстановить, воссоздать их форму, искаженную помехами. Костер, загоревшийся на двенадцатой сигнальной башне, является копией первого костра, зажженного на первой башне, и несет он абсолютно тот же смысл, абсолютно то же сообщение, обозначенное нами символом «1». Не имеет значения, хорошо виден огонь или не очень, что форма костра совсем другая — это влияние помех, которое не сказывается на принятии наблюдателем решения, что костер на предыдущей башне горит. Следствием этого будет регенерация сигнала — зажигание костра на следующей башне.
Сигналы.
Так же легко регенерировать код Морзе. В простейшем случае это делает телеграфист — принимает на слух сообщение и отстукивает его ключом дальше по линии. Регенератором служит и телеграфное реле. При наличии посылки тока его контакты замыкаются и формируют новую, уже очищенную от помех посылку тока. Надо ли говорить, что электромеханические реле заменяются более надежными и быстродействующими электронными.
Телеграфные сигналы.
Другое достоинство двоичных цифровых сигналов заключается в том, что они требуют минимального отношения сигнал-помеха в канале связи. Поясним, что что такое. Когда дозорный смотрит на далекую сигнальную башню, ему мешают свет зари, мерцающий свет звезд, расположенных низко над горизонтом, зажигаемый кем-нибудь «посторонний» огонь. Для надежного распознавания полезного сигнала, т. е. света сторожевого костра, надо, чтобы его яркость была больше яркости посторонних помех. Как говорят связисты, отношение сигнал-помеха должно быть больше единицы.
То же и в электрическом телеграфе. Провода линии связи «гудят» вследствие атмосферного электричества, электризации трением от ветра, из-за случайных полей геомагнитного происхождения в телеграфных проводах наводится некоторое напряжение помех. Подземные кабели в этом отношении несколько лучше, но они дороже и все равно полностью не избавляют от помех. Даже если нет внешних наводок, тепловое движение электронов в проводнике создает хаотически изменяющееся случайное напряжение так называемый тепловой шум. Кстати, если это напряжение усилить и подвести к громкоговорителю, мы услышим шум, напоминающий шум примуса, паяльной лампы или сильного дождя. Зачем далеко ходить за примерами, каждый из нас слышал шум и помехи в телефонной трубке! Для надежной регистрации телеграфных посылок их напряжение должно быть больше напряжения шума и помех. Отношение сигнал-шум или сигнал-помеха, требуемое для получения заданного качества связи, оказывается наименьшим при использовании двоичных цифровых сигналов, поэтому говорят, что линии связи, использующие цифровой двоичный код, обеспечивают наибольшую помехоустойчивость.
Другой вид сигналов — аналоговые. Типичный пример — напряжение, развиваемое микрофоном при разговоре перед ним, пении или игре на музыкальных инструментах. Давление воздуха при звучании источника изменяется в небольших пределах относительно нормального атмосферного. Мембрана микрофона, прогибаясь под действием звукового давления, создаст некоторое напряжение на выводах звуковой катушки микрофона. Это напряжение прямо пропорционально звуковому давлению, т. е. изменяется аналогично ему, откуда и происходит название «аналоговый сигнал».
Дискретные сигналы.
Аналоговые сигналы до сих пор используют в телефонной связи, радиовещании и телевидении. Это проще технически, да и история развития радиотехники сложилась так, что первыми стали применяться аналоговые сигналы. Это никоим образом не относится к телеграфу, где всегда господствовала цифра. При передаче аналоговых сигналов требуется значительно большее отношение сигнал-шум, чем при передаче двоичных цифровых сигналов. Пробовали разговаривать в метро? Шум поезда, отражаясь от стенок туннеля, приобретает большую интенсивность. Шум поезда — это помеха. Приходится напрягать голос, чтобы речь была разборчивой.
Мощность громких звуков человеческого голоса в 10000 раз превосходит интенсивность слабых звуков. И это при обычном разговоре. Но слабые звуки не должны маскироваться шумом, чтобы их тоже можно было разобрать. Вот почему приходится напрягать голос в метро, вот почему приходится на аэродроме кричать в ухо собеседнику, когда реактивный лайнер, ревя двигателями, подруливает к аэровокзалу. Для хорошего качества речи, передаваемой по телефону, необходимо обеспечить отношение сигнал-шум по напряжению примерно 100, или 40 децибел (дБ). (Разница уровней в децибелах есть двадцать десятичных логарифмов отношения напряжений.) Опытные радисты могут разобрать речь при отношении сигнал-шум около десяти, но при условии, что передаваемый текст знаком и привычен.
Большим недостатком аналоговых сигналов является и то, что их нельзя регенерировать, поскольку нам не известна их форма (известный сигнал и передавать незачем!). Когда еще лет десять назад вы разговаривали по междугородному телефону, замечали ли, насколько плохим было качество связи? Объяснялось это тем, что слабый речевой сигнал при передаче по проводной телефонной линии необходимо периодически усиливать, скажем через каждые 100 или 200 км. Гудят провода, шумят усилители, и каждый из этих источников помех все больше и больше искажает передаваемый сигнал.
Аналоговые сигналы.
Нельзя ли как-нибудь использовать двоичный канал для передачи речи, спросит читатель? Конечно, можно! И такой способ передачи широко используется в настоящее время. Первое, что в этом случае необходимо сделать, — это преобразовать аналоговый речевой сигнал в цифровой код. Затем цифровой сигнал передается по линии связи и регенерируется на каждом из промежуточных усилительных пунктов. Помехи при этом устраняются. А перед подачей в телефонную трубку цифровой сигнал снова превращают в аналоговый. Подобные системы уже внедрены на некоторых междугородных линиях связи. Не обошлось и без курьезов. При первых испытаниях цифровой линии стоило одному из корреспондентов замолчать, как другой принимался кричать: «Алло, алло!», думая, что связь оборвалась. На самом деле он просто не слышал привычного шума линии в паузах речи — столь чистой оказалась передача. Пришлось нарочно добавить немного шума к сигналу на каждом из оконечных пунктов!
Надеюсь, что читатель сам сможет ответить на этот вопрос. Любой сигнал, будь то свет костра, телеграмма, код Морзе написанный текст и т. д., несет какое-либо сведение, или сообщение! Одним словом — информацию. Таким образом, сигнал есть средство передачи информации.
Любой переданный сигнал переносится либо энергией, либо веществом. Иначе и быть не может, ведь наш мир материален. Это либо акустическая волна (звук), либо электромагнитное излучение (свет, радиоволна), либо лист бумаги (написанный текст), либо каменная скрижаль с выбитыми на ней магическими знаками. Но ни переданная энергия, ни посланное вещество сами по себе никакого значения не имеют, они служат лишь носителями информации. По мере удаления от передатчика поток энергии становится все слабее и слабее. Это тоже не имеет значения до тех пор, пока превышение сигнала над шумом достаточно для приема информации. Когда Москва передает по радио последние известия, одну и ту же информацию получает и подмосковный радиослушатель в г. Долгопрудном и уральский радиослушатель из Нижнего Тагила. Но поток энергии радиоволн в Нижнем Тагиле в тысячи раз меньше, чем под Москвой. Истрепанная книжка, если в ней нет вырванных страниц, несет ровно столько же информации, сколько такай же новая.