В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]

Избалованные легкостью получения информации, килобитами и мегабитами, которые приходят к нам с телевизионного экрана, из радиоприемника или по телефонному проводу, мы редко интересуемся ценой, которую платят за все это связисты А платят они немало, причем двумя видами валюты — секундами и герцами, временем передачи и полосой частот, которую нужно пропустить по каналу связи. (Полоса частот телевизионного сигнала — 6 МГц, полоса частот телефонного разговора примерно 3 кГц. Представление о полосе частот становится понятней, если вспомнить клавиатуру рояля: играя в пределах одной средней октавы, мы излучаем полосу частот примерно 400 Гц, играя на всей клавиатуре — около 4000 Гц.) Причем валюта — герцы и секунды — принимается в любой пропорции, важна лишь общая сумма: чем меньше времени отводится на передачу информации, тем шире должен быть пропускаемый спектр, и наоборот, чем более узкая полоса передается, тем дольше идет передача. Телеграмму в 1000 бит можно передать за 1 с, при этом линия связи должна будет пропустить полосу частот в 4000 Гц. А можно ограничиться полосой в 2–3 Гц, но тогда передавать телеграмму придется очень медленно — что-то около получаса. После такого предисловия мы можем вернуться на поверхность Венеры, куда только что спустился СА, и теперь уже со знанием дела отметить: время жизни спускаемого аппарата на поверхности ограничено; поэтому, чтобы передать с него большой объем информации, нужно передавать ее очень быстро, а значит, нужно, чтобы линия связи Венера — Земля пропускала широкую полосу частот.

Нужно-то оно, конечно, нужно, но только можно ли…

Главное препятствие для расширения полосы частот — огромная протяженность линий космической радиосвязи, эти бесконечные миллионы километров. Мощность, которая приходит от передатчика к приемнику, убывает с квадратом расстояния между ними. Именно с квадратом — расстояние увеличивается в 2 раза, мощность сигнала, доставшегося приемнику, уменьшается в 4 раза, расстояние растет в 1000 раз, мощность падает в миллион раз. От одного и того же передатчика с Венеры придет сигнал в 40 000 раз более слабый, чем с Луны, потому что от Земли до Венеры в 200 раз дальше, чем до Луны.

Мощность передатчика на космическом аппарате ограничена (все та же масса!), и практически мощность сигнала, принимаемого на Земле из района Венеры, измеряется триллиардными долями миллиардной доли ватта. Принять такой сигнал примерно то же самое, что, находясь в Москве, услышать писк комара, совершающего вечернюю прогулку где-нибудь в районе Мурманска. Казалось бы, ничего страшного в этом нет, электроника давно умеет усиливать слабые сигналы, даже в рядовом транзисторном приемнике на пути от антенны до громкоговорителя сигнал усиливается в миллионы раз. Кто же помешает усилить любой, самый слабый сигнал, который приходит с межпланетной станции на Землю?

Помешают помехи, шумы, как их называют радисты. Это «радиосигналы», рожденные хаотическим движением электронов в самой антенне приемника, радиоизлучением Солнца, Галактики, далеких звезд. Уровень всех этих шумов невелик, мы не сталкиваемся с ними, слушая земные радиостанции или телецентры. Но чрезвычайно слабый сигнал с далекой космической станции может просто утонуть в шумах, потеряться в них, как шепот на шумной улице. Усиление в этом случае не имеет никакого смысла — вместе с сигналом усиливаются шумы.

Проблема выделения слабых сигналов из шума — одна из центральных в современной радиотехнике. В числе методов, облегчающих ее решение, самый радикальный — хирургия, сужение частотного спектра сигнала. Чем уже частотные ворота канала связи, тем меньше мощность попавших в него шумов и из них легче выделить полезный сигнал.

Итак, конфликт: с одной стороны, чтобы выделить слабый сигнал из шумов, он должен быть узкополосным, с другой стороны, с помощью узкополосного сигнала много информации не передать. И разрешение конфликта, неожиданное и смелое, — орбитальный ретранслятор. Теперь от установленного на СА сравнительно маломощного передатчика на приемник орбитального аппарата придет довольно сильный сигнал — идти недалеко, какие-то тысячи километров. Не миллионы. И можно не бояться шумов, вести передачу в сравнительно широкой полосе частот. А на ОА стоит уже значительно более мощный передатчик, снабженный к тому же остронаправленной антенной (СА неподвижен, а ОА можно крутить как угодно, направляя антенну на Землю).