...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь - Попов Георгий Леонтьевич - Страница 58

Помехи окружают нас всюду. Одни мешают нам сильно, другие - не очень, третьи мы просто не замечаем, так как надежно защищены от них. Часть помех люди создают сами - своим поведением, своей деятельностью, а часть существует независимо от людей, их источником являются силы природы.

Помехи доставляют неприятности не только людям, но и битам. И что парадоксально: человек, который старается оградить потоки информации от воздействия помех, сам же в большинстве случаев и создает их. Придумал человек трамвай и метро, электрифицировал железные дороги - и появились "блуждающие" токи. А ведь они страшны не только тем, что "поедают" кабель, т. е. вызывают его коррозию. С коррозией человек научился бороться. Блуждающие токи, проникая в жилы кабеля, накладываются на итак уже "искореженные" импульсы. Форма этих токов весьма причудлива. Можно представить, что они "проделывают" с импульсом. Построил человек радиостанции и линии электропередач на переменном токе - вот вам еще наведенные в кабелях токи, причем с формой, далеко не похожей на прямоугольную. Работает электросварщик на стройке - будьте уверены, в близлежащих кабелях появились помехи. В общем, промышленные помехи поджидают биты буквально на каждом шагу. А тут еще грозная игра стихии! Сверкают молнии, вспыхивают метеоры, "шумят" электромагнитные бури. Эти так называемые атмосферные помехи, безусловно, наносят ощутимый вред импульсам в проводных и радиолиниях. Добавьте сюда еще и замирания в радиорелейных и спутниковых линиях, которые тоже не способствуют сохранению формы импульсов.

Это все, так сказать, "внешние враги" битов, проникающие из внешнего мира в кабели, стволы радиолиний. Но есть еще один "коварный враг" - внутренний. Имя ему - тепловой шум.

Мы представляем себе ток в виде направленного движения электронов в проводнике. Но электроны совершают, кроме того, и хаотические, беспорядочные движения. Последние, конечно, выражены менее ярко, чем направленное движение, но тем не менее это тоже ток, только очень слабый, и форма его непрерывно меняется, принимая самые причудливые очертания. Поскольку этот ток вызван хаосом в потоке электронов, его назвали шумом. При увеличении температуры проводника электроны в нем начинают двигаться более энергично и, как следствие, шум возрастает. Поэтому шум в проводниках называют еще тепловым. Нужно ли объяснять, что он присутствует всегда? И тогда, когда по линии передаются импульсы, и тогда, когда в линии никаких сигналов нет.

Почему мы наградили шум эпитетом "коварный"? Подумаешь, слабенький ток, в десятки, сотни, а иногда и в тысячи раз меньше основного, будет накладываться на импульсы или регистрироваться в их отсутствие. Какой уж там вред он может нанести? Не преувеличены ли наши "страхи"?

Вы наблюдали когда-нибудь, как закипает вода в кастрюле? Ее молекулы, совершая хаотические движения, с силой вырываются наружу. Мы видим, как начинает бурлить поверхность воды. Но бурлит она не везде одинаково. То тут, то там неожиданно возникают сильные всплески. Это проявляют себя согласованные действия целых групп молекул.

В тепловом шуме наблюдаются случайные большие "выбросы", причем не только положительные, но и отрицательные (это когда большая группа электронов в своих беспорядочных метаниях вдруг дружно "качнется" в сторону, противоположную своему основному движению). Подобные "выбросы" могут быть соизмеримы по высоте с информационными или служебными импульсами, и, если выброс отрицательный, импульсу грозит полное "уничтожение". Наоборот, положительный "выброс" шума в отсутствие импульса даст ложную информацию: вместо 0 будет зарегистрирована 1. И хотя такие события возникают не так уж часто, но вместе с тем они не так уж и редки, чтобы не считаться с ними.

К сожалению, шумит все или почти все: провода, сопротивления, транзисторы, электронные лампы, микросхемы. Правда, природа шумов в лампах, полупроводниках и изделиях из них несколько иная, чем в металлических проводниках. Но по своему "коварному" поведению они мало чем отличаются. Все эти шумы в отличие от шумов, наведенных в линии извне, называются собственными, или внутренними, помехами.

Подведем "печальные" итоги. Искажения, промышленные и атмосферные помехи, шумы аппаратуры и кабеля - вся эта многочисленная "воинствующая братия" наносит большой ущерб информации, передаваемой в цифровом виде по современным линиям связи. Импульсы, а вернее, то, что от них осталось, приобретают самые причудливые очертания. У некоторых из них помехи "вырезают" определенную часть, и тогда их форма напоминает графики скоростей автомобилей французского и австрийского гонщиков. Глядя на форму принятого сигнала, подчас трудно бывает разобрать, передавался в данном промежутке времени импульс или нет.

Однако на приемной станции нужны импульсы только прямоугольной формы, все устройства цифровых систем передачи реагируют лишь на две ситуации - "Да" и "Нет", или 1 и 0. Возникают вопросы: как выправить "искаженную" форму импульсов? Возможно ли распознать и восстановить пораженные биты? Как измерить ущерб, нанесенный информации извечными ее "врагами"? Ответы на них вы найдете в следующих главах.

"Профилакторий" для сигнала

Даруй же от недуга избавленье... A. аль-Хамиси

Давайте проследим за тем, как врач, используя данные своего электронного помощника - компьютера, ставит диагноз. Другими словами, нас будет интересовать процедура принятия решения. Итак...

Больной жалуется на боли в животе. Компьютер, отработав данные опроса, выдает свой диагноз. Так как опрос был весьма неполным, то таким же приближенным является и ответ. В нашем примере компьютер указал на два наиболее вероятных заболевания и вероятность каждого из них: аппендицит - 0,64 и инфаркт миокарда - 0,36. Указанные вероятности были вычислены на основе статистики, которая заложена в памяти компьютера. Врач должен принять окончательное решение. Машина подсказывает, что вероятнее всего у больного аппендицит. Но это всего лишь предположение, гипотеза. Существует, хотя и с меньшей вероятностью, второй вариант - у больного инфаркт миокарда. Допустим, что врач принимает в качестве основной первую гипотезу. Если он не ошибся и у больного действительно аппендицит, то помощь придет вовремя. Но может оказаться, что врач ошибся, и гипотеза о том, что у больного аппендицит, впоследствии при более детальном его обследовании специалистом-хирургом не подтвердится. Из-за потерянного времени ошибка может дорого обойтись пациенту. Цена такой ошибки - жизнь.

Но врач мог принять за основную гипотезу наличие у больного инфаркта миокарда. В этом случае возможны также два исхода: диагноз подтвердился и диагноз ошибочный. Причем ошибка, увы, также может стоить человеку жизни. Всю описанную ситуацию можно представить в виде таблицы:

Конечно, врач не имеет права гадать. Поэтому он назначит дополнительное обследование: снимет электрокардиограмму, возьмет определенные анализы и, когда результатов обследования окажется достаточно, примет окончательное решение. Правда, и в данном случае врач не застрахован от ошибки. Но почему же, однако, в большинстве случаев больным ставится верный диагноз и назначается правильное лечение? Это происходит оттого, что, принимая решение, врач руководствуется статистическими данными, накопленными медициной в большом количестве. Без этого богатейшего опыта здравоохранение вряд ли добилось бы каких-либо успехов.

В житейских ситуациях мы также опираемся на статистику, хотя не всегда осознаем это. Скажем, если ваш приятель, повстречавшийся вам в ясный морозный день, с восторгом рассказывает, как он только что провел отпуск, ни разу не надев пальто, вы уверенно делаете вывод, что отдыхал он уж, конечно, не в Сибири, а на юге. Такая уверенность основана на том, что внезапное потепление в Сибири, хотя, в принципе, и возможно, но в такое время года и на столь длительный период (на время отпуска) маловероятно. В то же время для южных районов страны теплая погода является нормой.