Мыслящая Вселенная
Шрифт:
Для нагружения функции сообщения на высокочастотное колебание можно использовать и второй параметр колебаний — его начальную фазу. Для этого необходимо менять ее в соответствии с изменением функции сообщения. Это фазовая модуляция.
Конечно, далеко не все то, что мы применяем для радиосвязи здесь, пригодно для межзвездной радиосвязи. И это имеет место не только потому, что космическая радиолиния имеет, несомненно, свои особенности. Это прежде всего потому, что мы не можем сообщить свои технические решения нашему радиокорреспонденту. Именно поэтому мы вынуждены принимать только наиболее простые, подсказываемые самой природой, а потому и понятные всем цивилизациям, решения.
В настоящее время ученые единодушны в том, что сигналы, передаваемые цивилизациями как позывные, не должны быть модулированы. Это позволит сохранить их узкополосными. На симпозиуме в Таллине был поставлен вопрос о том, что при организации межзвездной связи следует использовать другие методы, в отличие от тех, что были описаны выше. С докладом «Межзвездная связь с помощью относительных методов передачи сигналов» выступил Н.Т. Петрович.
В описанных выше методах важны были абсолютные изменения основных параметров высокочастотного колебания — амплитуды, частоты, фазы. Именно по абсолютным величинам этих параметров восстанавливалась функция сообщения, то есть та информация, которую мы стремимся передать. Но измерить с достаточной точностью эти абсолютные
Относительные методы позволяют это сделать. Они заключаются в оперировании не абсолютными величинами амплитуды, частоты и фазы, а их относительными значениями. Если проводится манипуляция с фазами (метод относительной фазовой манипуляции), то фазы двух соседних посылок вычитаются, то есть фаза одной посылки определяется относительно фазы предыдущей посылки. Таким образом, каждая посылка на приеме используется дважды. Один раз ее фаза определяется относительно предыдущей посылки, а второй раз она используется при определении относительной фазы последующей посылки. За счет чего здесь получается выигрыш и информация не теряется? Если по какой-то причине на трассе изменяется абсолютное значение фазы, то оно одинаково изменит фазы данной посылки, последующей за ней и предыдущей. Это значит, что при вычитании фаз соседних посылок это изменение нивелируется, сохранится только неизменная разница в фазах, которая и несет главную информационную нагрузку. Другими словами можно сказать, что в этом методе относительной фазовой манипуляции обеспечивается нечувствительность к случайным колебаниям фазы. Метод позволяет обеспечить также нечувствительность к сдвигам частоты, как и к линейному изменению частоты. Но в этих двух случаях обработка посылок проводится определенным образом. При этом используются уже не только две соседние посылки, а три посылки (во втором методе) и даже четыре следующие друг за другом посылки в третьем методе.
Относительные методы имеют и то преимущество, что они позволяют лучше защититься от помех при приеме позывных, а также сигналов с информацией. Обычно для снятия с высокочастотного колебания той информации, которую оно переносит, то есть функции сообщения, используют фазовый детектор. Н.Т. Петрович предлагает в качестве опорного сигнала для фазового детектора использовать непосредственно тот же сигнал, который мы принимаем от внеземной цивилизации. Этот сигнал должен быть сдвинут по времени на интервал, равный обратной величине полосы пропускания приемника. Применение такого относительного фазового детектора могло бы дать выигрыш в смысле защиты от помех минимум в два раза. Но с учетом реальной космической среды, в которой радиосигнал может распространяться несколькими лучами (это называют многолучевостью сигнала), этот выигрыш должен быть больше. Многолучевые распространения радиосигналов имеют место и в ионосфере Земли. Это плохо отражается на качестве приема потому, что на вход приемника поступают одновременно сигналы, прошедшие радиотрассу разными путями и поэтому имеющие разные характеристики (фазы). Результат их сложения может быть различным в зависимости от взаимного сочетания их фаз: если они находятся в противофазе, то погашают друг друга, а если они в фазе, то складываются. Возможны промежуточные ситуации. Важен результат этого эффекта. А он состоит в том, что принятый сигнал беспорядочно флуктуирует, то есть меняет свою величину. А поскольку величина сигнала содержит в себе нужную для нас информацию, то это равнозначно потере части информации. Применение относительного фазового детектора позволяет этого избежать.
Мы уже говорили о том, что посланный в космос монохроматический сигнал неоднородностями среды превращается в сигнал, похожий на флуктуационный шум. Поскольку такой сигнал проходит огромные расстояния в десятки и сотни световых лет (мы говорим о сигналах, которыми обмениваются внеземные цивилизации), то вряд ли можно ожидать, что его уровень будет значительно выше уровня шумов. Поэтому надо выудить такой сигнал из-под шумов. Одно из решений этого вопроса высказал Н.Т. Петрович. Он предлагает придать сигналу такую форму, которая помогла бы его обнаружить и в том случае, если его уровень ниже уровня шумов. Если мы это сделаем, то поможем внеземным цивилизациям принять наши сигналы. С другой стороны, мы вправе надеяться, что они сообразят сделать то же самое. Предлагается выбрать форму сигнала следующим образом: высокочастотный несущий радиосигнал промодулировать синусоидой с периодом, который на несколько порядков больше периода несущих колебаний. При такой манипуляции можно добиться того, что частота синусоиды или другой периодической функции не меняется из-за эффекта Доплера и доставляется адресату в неизменном виде. Меняется только частота высокочастотного несущего сигнала. Кроме того, частота наложенного периодического процесса не зависит и от стабильности частоты передатчика, которая также не может быть неизменной. Большой период позволяет при приеме использовать методы накопления и таким путем выделить полезный сигнал из шумов. Предлагается использовать для модуляции функции с периодом в несколько часов! Применение такой периодической модуляции позволяет лучше защититься от искажений принимаемого сигнала, которые вызваны многолучевым распространением. Периодически про-модулированные сигналы могут служить одновременно и позывными, и несущими на себе конкретную информацию. При формировании радиосигналов для межзвездной радиосвязи можно модулировать периодически не только амплитуду, но и фазу или частоту, а также длительность. Было показано, что выгоднее в смысле повышения отношения сигнала к шуму применять частотную периодическую модуляцию. При этом средняя мощность сигнала больше, чем при амплитудной модуляции. В то же время для борьбы с искажениями, вызванными многолучевостью сигнала, предлагается плавно изменять несущую частоту по линейному закону. Можно подобрать такой режим перестройки несущей частоты, при котором замирания (флуктуации) сигнала из-за многолу-чевости устраняются, а средняя мощность посылки будет сохраняться постоянной. Ведь при плавной модуляции частоты в пределах одной посылки несущие частоты различных лучей будут отличаться. Поэтому у лучей, одновременно приходящих на вход приемника, меньше возможностей погасить друг друга при их сложении. Между несущими отдельных лучей будут происходить биения, а замирания сигнала наступят только в том случае, если более половины всей посылки окажется вблизи глубокого минимума огибающей биений. Но такая ситуация реализуется значительно реже, нежели это происходит при постоянной несущей частоте. А.Т. Голубков в книге «Гидролокатор дельфина» (Л.: Судостроение,1977) пишет о том, что летучие мыши и дельфины уже миллионы лет используют колебания с переменной частотой с той же целью: ослабить искажение сигнала, происходящее в результате многолучевого его распространения.
Преимущество таких сигналов состоит и в том, что современные радиотехнические устройства позволяют их выделить на фоне шумов, которые во много раз выше уровня сигнала. Для этого надо использовать частотный детектор, на выход которого подключена система автоматической подстройки по частоте. Предлагается использовать не только частотную, но и
Ясно, что первым шагом в осуществлении радиосвязи с внеземными цивилизациями является их обнаружение путем приема от них радиосигналов. Если эти сигналы будут сформированы так, как описано выше, то есть будут содержать в себе периодические изменения, то обнаружить их будет значительно легче. Это станет возможным даже в том случае, если этот сигнал очень слабый, то есть его уровень находится ниже уровня шумов.
Мы не можем знать, какой периодической функцией будет манипулирован сигнал от внеземных цивилизаций, поэтому в приемнике, ведущем поиск сигналов, надо предусмотреть амплитудный, частотный и относительно-фазовый детекторы. На выходе этих устройств должны быть подключены блоки, позволяющие обнаруживать периодические процессы.
ЯЗЫК ДЛЯ СВЯЗИ С ИНОПЛАНЕТЯНАМИ
Допустим, что мы уже решили все основные технические вопросы: создали необходимую антенну и радиоприемную аппаратуру, выбрали правильно направление и время радиосвязи, а также рабочую частоту. То есть мы готовы посылать в космос радиосигналы. Дальше необходимо решить вопрос, как на эти сигналы нагрузить полезную информацию, причем нагрузить не как угодно, а так, чтобы на том конце радиолинии, где радиосигналы будут приняты, эта информация была воспринята, понята. Технику нагружения информации мы также знаем. Поэтому нерешенным остается вопрос языка.
Американский ученый Дрейк на Бюраканской международной конференции по проблеме связи с внеземными цивилизациями (сентябрь 1971 года) сказал: «Предложение нацепить записку, послание на конец такого длинного шеста, чтобы он достал до ближайших звезд, вряд ли будет использовано в качестве средства связи, даже с учетом того, что такой шест станет самоподдерживающимся, когда он вытянется на 35 тысяч километров от Земли». Это шутка, но проблему, тем не менее, надо решать.
По-видимому, проще всего передавать в космос картинки, нарисованные крестиками и ноликами, как это делают в детской игре. Чтобы передать такую картинку корреспонденту в космосе, надо прочитать всю картину, изображенную крестиками на листке в клетку, построчно слева направо и сверху вниз. Тогда каждой клетке листа будет соответствовать либо нолик, либо крестик, то есть получится длинная последовательность ноликов и крестиков. Нолики можно передавать в космос одними сигналами, а крестики — другими. В этом случае имеется только одна закавыка: принявший на том конце радиолинии наше сообщение должен будет сообразить сам, без нашей и чьей-либо помощи, что это не одна длинная строка, а текст, состоящий из строчек. То есть он должен будет суметь правильно поделить все длинное сообщение на отдельные строки. Сделав это, он должен затем каждый принятый сигнал изобразить на бумаге или ноликом, или крестиком. Конечно, если он вместо нолика будет использовать любой другой знак (практически какой угодно), то ничего не изменится, картина все равно получится. Вместо крестика он также может использовать любой значок. Если он таким путем нанесет на картинку эти значки, то получит некоторое изображение, образ. Для того чтобы корреспонденту было легче установить длину строчки (число знаков в ней), можно первые картинки передавать простые. Тогда, пробуя разные длины строчек, корреспондент легко убедится в том, какой вариант является правильным. Можно, например, в качестве первой картинки выбрать круг. Тогда любое нарушение длины строчек корреспондент заметит сразу, так как части круга окажутся смещенными, а круг — деформированным. Можно выбрать и другую простую и четкую фигуру. Так мы научим нашего космического корреспондента определять длину строк и их число в нашем «телевизионном» кадре. Мы не оговорились, сказав «телевизионном», поскольку кадр на экране телевизора формируется именно таким способом.
Описанная выше идея очень проста. Она позволяет без знания языка и без всяких особых замысловатых хитростей передать изображение практически любого предмета или символа. То есть таким путем можно начать общаться.
На землянах такой способ передачи информации уже был испробован. Они оказались очень догадливыми и быстро сообразили, чему равна длина строк и что собой представляет передаваемая картинка. Это испытание провел тот же Дрейк на радиоастрономической конференции в Грин Бэнк (США). Он предложил участникам конференции последовательность ноликов-крестиков (вместо крестика была взята единица). Надо было понять, какая информация в ней содержится. Весьма быстро большинство участников конференции раскусили метод шифровки информации. Всего в послании был 1271 знак (нулей и единиц). Они их разбили на отдельные строки длиной по 41 знаку. Таких полных строк оказалось 31. Можно сказать, что был получен кадр телевизионного изображения, состоящий из 31 строки; каждая из 31 строки состояла из 41 элемента. Если нули на кадре не изображать (оставлять пустое место), а единицы изображать не крестиками, а черными кружками (это абсолютно не принципиально), то получится картинка. Видимо, такую достаточно сложную картинку можно будет посылать уже тогда, когда наши радио корреспонденты научатся расшифровывать более простые или, во всяком случае, научатся правильно определять длину строк.