Текст книги "Радиолокация без формул, но с картинками"

Автор книги: Михаил Размахнин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 7 страниц)

Как это у нее получается?

Чтобы не испытывать терпения читателя, ответим сразу, хотя, может быть, и не совсем понятно. За счет выбора подходящего сигнала и его обработки на приеме с помощью согласованного фильтра. А теперь попробуем разобраться.

Задолго до того, как радиоинженеры превратят бумажные схемы в сложные электронные блоки, а строители возведут конструкции из стали и бетона, специалисты из теоретических отделов начинают ломать головы и копья (то бишь авторучки марки «Союз») в спорах о том, каков должен быть сигнал будущей станции. И дей-ствительно, задача не из легких Напомним требования к сигналу.

Сигнал должен иметь большую энергию. При ограниченной мгновенной мощности это означает, что у него должна быть большая длительность. А для высокой точности определения координат и разрешающей способности хотелось бы иметь как можно более короткий сигнал. И это еще не все. Заказчику нужно, чтобы слабый отраженный сигнал можно было принять и обработать на фоне достаточно сильных помех. Задача осложняется еще и многообразием различного вида помех. Тут и естественные помехи от грозовых разрядов, и собственный шум приемника, и помехи от работающих рядом электроустройств, и целый ряд других шумов. А если станция будет работать в боевой обстановке, то возможно появление преднамеренно создаваемых противником искусственных помех. И вот среди этого разноголосого хора помех нужно услышать тоненький и слабенький голосок отраженного сигнала.

Скажем по секрету, что и это еще не последнее требование заказчика. Но для нас хватит и уже перечисленных. И так задача, стоящая перед теоретиками, достаточно сложная.

К тому же радиоинженеры, которым предстоит разрабатывать и создавать аппаратуру, требуют, чтобы теоретики не отрывались от грешной земли. Их блестящие идеи должны быть осуществимы при сегодняшнем уровне техники. Кроме того, реализация предложений теоретиков не должна обходиться слишком дорого. Больше всего разработчиков устроил бы такой проект новой станции, в котором все новые устройства и схемы можно было бы собрать из уже имеющихся, отработанных в производстве элементов. Это и удобно и выгодно, так как станция будет готова раньше и работать она будет надежнее. Но иногда старыми схемами и элементами не обойдешься. Поэтому для реализации какого-нибудь оригинального решения приходится разрабатывать принципиально новые схемы. И снова встречаемся с противоречием на этот раз между интересами теоретиков и производственников. Как всегда, находится компромиссное решение. В чем-то уступают теоретики, на что-то скрепя сердце соглашаются разработчики и производственники.

Надо сказать, что в последнее время в таких спорах чаще побеждают теоретики. Можно понять почему. В первые годы развитие радиолокации шло в основном за счет улучшения технических характеристик радиолокационных станций. Повышалась мощность передатчиков, увеличивались антенны, осваивались новые диапазоны волн. Все это, конечно, улучшало качество радиолокационных станций. Но в какой-то момент стало ясно, что разработчики выжали из техники все, что можно, точнее, почти все, что можно. А требования непрерывно растут. И вот тут-то на первый план вышли теоретики. Их исследования показали, что только за счет использования сигналов подходящего вида и новых методов их обработки можно существенно улучшить характеристики радиолокационных станций. Это был крупный качественный скачок в теории и практике радиолокации. Он произошел в годы второй мировой войны практически одновременно в нашей стране, США, Англии и Германии.

Сигналы, которые спасли радиолокацию от застоя, как гуси спасли Рим от гибели (оба утверждения оспариваются), имеют много названий. Их называют сложными, широкополосными, шумоподобными, псевдослучайными, составными и, кажется, еще как-то. Но не будем углубляться в вопросы терминологии, а попробуем разобраться в существе дела.

Умные люди, которых немало среди теоретиков, заметили лазейку в противоречивых требованиях к сигналу. Обратите внимание: длинный сигнал нужен нам при передаче (требование большой энергии), а короткий – при приеме, когда определяем координаты и производим разрешение целей. Так нельзя ли создать такие сигналы, которые при передаче имели бы большую длительность, а при приеме становились бы короче. Оказывается можно, и как только сформулировали требования, так сразу же был предложен целый ряд сигналов, которые можно «сжимать» в приемнике.

Представляя ход дела таким образом, мы кое в чем грешим против истории. На самом деле было так.

Лет 30–35 назад, когда создавались первые радиолокационные станции, еще никто не выдвигал требований точного измерения дальности и хорошего разрешения. Не до этого было. Нужна была просто работоспособная станция, которая могла хотя бы обнаруживать цель как угодно. Но уже тогда наряду с другими вопросами специалисты занимались изучением входных устройств приемников радиолокационных станций, которые обычно называют фильтрами. Они, как и обычные химические фильтры, должны разделять попадающую в них смесь на отдельные составляющие. В нашем случае из смеси полезного сигнала, шумов и помех нужно было выделить один полезный сигнал. В радиотехнике, а значит и в радиолокации, это можно сделать, настраивая приемник на ту полосу частот, в которой ожидается сигнал. Кто настраивал приемник к поисках веселой танцевальной музыки или захватывающего футбольного репортажа, тот выполнял именно эту задачу. В радиолокации полоса частот ожидаемого сигнала известна, так как мы сами его излучаем. А значит фильтр в приемнике нужно настроить именно на эти частоты, и тогда все не желательные сигналы и помехи не будут нам мешать, конечно, за исключением помех, которые имеют частоты, попадающие в нашу полосу. С ними обычно частотному фильтру бороться трудно.

Специалисты очень любят оптимизировать все, что попадает им в руки. Так и в этом случае им захотелось создать оптимальный фильтр. Он должен был как можно лучше пропускать сигнал и как можно сильнее задерживать или подавлять помехи и шумы. Тут математики сделали свое дело: решили проблему оптимизации и постановили, что за исключением некоторых, не столь уж важных деталей, частотные свойства оптимального фильтра должны по существу совпадать с частотными свойствами сигнала.

Значит, для каждого сигнала надо подобрать оптимальный фильтр, который соответствовал бы только этому строго определенному сигналу. Фильтр настроен не только на ту или иную полосу частот, но и на характер поведения частоты сигнала в этой полосе. Если на какой-то частоте энергия сигнала велика, то эту частоту фильтр пропускает лучше, где энергия сигнала меньше, там фильтр хуже пропускает сигнал и сопутствующий ему шум. Фильтр согласован с сигналом. Поэтому его и назвали согласованным фильтром. Пройти через такой фильтр сигналам другого вида, даже занимающим ту же полосу частот, довольно трудно. Иначе на выходе от них могут остаться «рожки да ножки», и мы не заметим такой сигнал на фоне помех, пропускаемых фильтром. Что поделаешь: с ними фильтр не согласован.

Если обычный частотный фильтр можно сравнить с калиткой, через которую может пройти любой прохожий, идущий по этой дороге, то согласованный фильтр – лазейка в заборе, в которую может пролезть лишь тот, у кого фигура соответствующим образом «согласована» с этой лазейкой.

Итак, цель достигнута, создали схему фильтра, который оптимально выделяет сигнал на фоне помех. Назвали его согласованным фильтром и понесли проект к разработчикам. И тут-то оказалось, что разработчики не могут реализовать этот проект в «железе». Не было еще ламп, линий задержки и других устройств, без которых создать генераторы сложных сигналов и согласованные фильтры попросту невозможно. И гениальные идеи теоретиков остались лежать в папках патентных бюро, как изящные безделушки, демонстрирующие силу человеческого разума и представляющие чисто академический интерес.

Однако по мере развития техники необходимые устройства были в конце концов разработаны и у специалистов возродился интерес к согласованным фильтрам. К началу 50-х годов почти во всех ведущих научно-исследовательских лабораториях технически развитых стран уже проводились исследования по возможности внедрения согласованной фильтрации в практику.

Постепенно появлялись макеты, а затем и рабочие образцы станций, в которых использовались согласованные фильтры. Они, как говорится, пошли в жизнь. Тут выяснилось еще одно интересное свойство таких фильтров. В некоторых случаях форма сигналов на выходе согласованного фильтра изменялась по сравнению с формой входного сигнала. Амплитуда сигнала возрастала, зато сам сигнал укорачивался. Правда, это происходило лишь в тех случаях, когда используемые сигналы имели достаточно большую базу (базой сигнала называют число, равное произведению длительности на занимаемую им полосу частот). Так вот, чем больше была база сигнала, тем сильнее он укорачивался и тем выше поднимался пик амплитуды над уровнем шума. Если бы нас интересовало сохранение формы принятого сигнала, то мы сочли бы этот эффект чрезвычайно вредным и постарались бы от него избавиться. Но поскольку для нас важно лишь обнаружение сигнала, то есть установление самого факта его существования, то поднятие пика сигнала над уровнем шума мы всемерно приветствуем.

Вы уже, вероятно, заметили, что в тексте то и дело встречаются слова «шум» и «помеха»? Эти слова, конечно, известны каждому читателю. Но их точное значение в применении к радиолокации нуждается в разъяснении. Поэтому мы на некоторое время прервем плавный ход изложения и познакомимся с этими понятиями поближе.

Кто шумит? Зачем шумит? Почему это вредно?

Итак, поговорим о шумах. Понятие о шуме есть у каждого читателя, правда, у каждого свое. Один под шумом понимает визг и скрежет трамвая, проходящего ночью под его окнами, другой – равномерный гул голосов, мешающий читать лекцию, и так далее. Во всех этих примерах есть одна общая черта. Здесь в качестве шума выступает звуковой процесс, воздействующий на наши слуховые органы. Но наблюдение и обработка сигналов производится в радиолокационной станции в абсолютной тишине. Что же здесь является шумом, мешающим наблюдению сигнала?

Началось все, по-видимому, с радистов, которые вылавливали морзянку из свиста, завываний, тресков, шорохов, щелчков и других звуков, раздававшихся в наушниках и мешавших приему. Для них это был шум в привычном для нас смысле слова. В радиолокации, которая развивалась на базе радиотехники и заимствовала используемые в ней понятия, этот термин сохранился. Его стали использовать для обозначения любого случайного процесса, мешающего приему сигнала. Если обнаружение сигнала выполняет оператор, наблюдающий за экраном индикатора, то для него шумом будут случайные выбросы луча развертки, образующие бахрому. Когда она невелика по амплитуде, то ее ласково называют «травкой» (посмотрите на рисунок на стр. 84. Похоже, не правда ли?). Если случайные выбросы достаточно высоки, а отраженный сигнал слаб, то могут произойти два неприятных события. Во-первых, мы можем не заметить слабый полезный сигнал среди шумовых выбросов. Это пропуск цели со всеми вытекающими отсюда последствиями. Какими? Пусть каждый читатель представит себе в меру своей фантазии.

Во-вторых, один из сильных шумовых выбросов мы можем принять за полезный отраженный сигнал и доложить об этом по команде. В этом случае произойдет ложная тревога. Событие тоже не из приятных. Правда, опытные операторы иногда могут обнаруживать сигналы, уровень которых ниже уровня шума. Дело в том, что шумовые импульсы случайны, они то появляются, то исчезают, а сигнал, даже слабый, в некотором роде стабилен и появляется в одном и том же месте (если не учитывать перемещения цели). Вот по этому признаку его и обнаруживает опытный оператор. В этом смысле операторы с большим стажем как бы представляют собой весьма неплохие фильтрующие системы. Однако надежность такого обнаружения все-таки мала.

Откуда же берется эта травка и что заставляет луч развертки метаться вверх и вниз вместо того, чтобы спокойно двигаться по горизонтали? В наше время эфир в любой точке земного шара насыщен электромагнитными излучениями. Радиоволны, возникающие при грозовых разрядах в атмосфере или во время полярных сияний, при работе различных электрических систем от мощных энергоустановок до систем зажигания автомобилей (именно этот случай и показан на рисунке), передачи мощных вещательных станций и сигналы коротковолновых передатчиков радиолюбителей – вот далеко не полный перечень виновников возникновения шумов и помех. Складываясь, все эти сигналы создают на антенне шумовое напряжение, величина которого случайно меняется во времени. В какой-то момент интенсивность посторонних сигналов на антенне будет мала и луч развертки практически не отклонится от горизонтальной линии; в следующий момент интенсивность шума возрастет и луч резко отклонится от горизонтали. Так мы и получаем «травку» на экране индикатора.

Существует и другой вид шума – тепловой шум в элементах схемы^[15]. Особенно заметную роль он играет во входных каскадах приемника, так как полезный сигнал слаб и тепловой шум может быть сравним с ним по величине. В последующих каскадах и сигнал, и тепловой шум будут одинаково усиливаться. Поэтому чем ближе источник теплового шума ко входу приемника, тем больше каскадов усиления проходит шум и тем более вредное действие он оказывает на работу станции. Специалисты применяют все возможные способы уменьшения теплового шума, вплоть до охлаждения первых каскадов приемника. Снижение температуры уменьшает уровень теплового шума, однако полностью избавиться от него невозможно, и тепловой шум всегда вносит свой вклад в травку на экране индикатора.

Как известно, электроны в металлах чувствуют себя достаточно свободно, перемещаясь в различных направлениях Чем выше температура элемента схемы, тем интенсивнее это хаотическое движение электронов. Поскольку движение электронов является по сути дела электрическим током, то хаотическое случайное движение приводит к появлению случайного сигнала, который и называют тепловым шумом.

Уж если мы хотим составить полный список виновников возникновения шумов, то надо упомянуть и космические шумы. Это случайные электромагнитные излучения, приходящие к нам из просторов Вселенной. Работе обычных радиоприемников они чаще всего помех не создают, так как интенсивность их невелика. Но чувствительные антенны радиолокаторов улавливают и эти слабые сигналы, мешающие приему отраженных сигналов радиолокатора.

Интенсивность шума непрерывно изменяется. Поэтому для характеристики шума обычно используют величины, полученные в результате той или иной операции усреднения амплитуд отдельных шумовых выбросов. Чаще всего используют среднее значение шума (то есть величину, полученную усреднением амплитуды шумовых выбросов за длительный период) и дисперсию шума. Последняя величина характеризует отклонение амплитуды шума от среднего значения и позволяет оценить вероятность появления очень больших и очень малых шумовых выбросов.

Возьмем запись какого-нибудь шумового процесса и проведем линию, соответствующую его среднему значению, потом еще две линии: одну выше среднего значения, другую ниже. Расстояние между этими линиями и средним значением примем равным утроенному корню квадратному из дисперсии (то есть утроенному среднеквадратичному отклонению). При этом окажется, что амплитуды практически всех шумовых выбросов окажутся внутри этой полосы. В среднем только пять выбросов из тысячи могут превысить заданные нами границы. Значит, если полезный сигнал настолько велик, что значительно превышает верхнюю границу шумовой полосы, то мы практически всегда отличим его от шумового выброса. Если полезный сигнал мал и его уровня достигает большое число случайных выбросов, а некоторые даже превосходят его, то обнаружить полезный сигнал очень трудно, а иногда и невозможно.

У полезного сигнала кроме шума есть и еще один враг – помехи. Чем отличается помеха от шума? Обратимся к примеру. Вы сидите в зрительном зале перед началом спектакля. Занавес еще не поднят, и в зале стоит равномерный шум. Он складывается из негромких разговоров сидящих в зале, шума шагов зрителей, которые спешат занять свои места, поскрипывания кресел и так далее. Это шум. Он не мешает Вам вести приятную беседу с соседкой. Но вот начался спектакль и в зале установилась тишина. Вы напряженно следите за действием пьесы, и вдруг рядом с Вами кто-то вполголоса начинает оценивать прическу или костюм главной героини. Говорит всего один человек и, казалось бы, негромко, но слушать уже, что происходит на сцене, невозможно. Разговор соседей не только мешает, но и раздражает. Так вот, шум зала – это случайные шумы в приемнике, а разговор соседей – это помеха. Точно таким же примером помехи может служить назойливый знакомый, вмешивающийся в мирную беседу двух друзей, чтобы рассказать бородатый анекдот.

Итак, на техническом языке помехой называют достаточно сильный и не случайный сигнал какой-либо посторонней станций, который мешает работе приемного устройства. Хорошо еще, если нам будет мешать только одна станция, чаще же источников помех оказывается довольно много.

Иногда шумы и помехи различают и по их частотным свойствам. Если интенсивность шума равномерно распределена в большой области частот, то есть его мощность одинакова для любого участка диапазона частот, то специалисты говорят о «белом» шуме. Если мощность шума в одних участках полосы частот больше, а в других меньше, то тогда мы имеем дело с «цветным» шумом. При выборе таких названий важную роль сыграла аналогия с электромагнитными волнами светового диапазона. Если в излучении равномерно представлены все частоты видимого диапазона, то мы видим белый свет. Если преобладает какая-то одна частота или группа частот, то световой пучок представляется нам окрашенным в какой-либо цвет.

Радиотехники любят «белый» шум и очень не любят цветных шумов. Тут ни при чем расовые предрассудки радистов. Просто и методы расчета характеристик приемника, и способы уменьшения влияния шума лучше разработаны для случая белого шума, поскольку расчеты в этом случае проще, а при цветных шумах все значительно сложнее.

Тепловой шум обычно можно считать «белым», а вот суммарный шум от посторонних источников радиоизлучения может быть и цветным. Так бывает, когда в каком-то одном участке диапазона частот источников шумов больше или они интенсивнее, чем в других.

Помехи тоже можно различать по их частотным свойствам и по длительности. Может встретиться узкополосная (занимающая узкий участок диапазона частот) непрерывная помеха. На звуковых частотах примером такой помехи является монотонный вой сирены, для радиочастот – синусоидальное колебание, которое непрерывно излучает какой-нибудь посторонний генератор. Если этот сигнал будет достаточно сильным и попадет в полосу частот радиолокатора, то он может вызвать засветку горизонтальной полосы, перекрывающей всю ширину экрана индикатора. Высота такой полосы зависит от характеристики помехи. В этом случае оператор часто не может обнаружить цель.

Нередко в радиолокации сталкиваются и с другим видом помех – импульсными помехами. Уже из названия ясно, что в этом случае сигналы мешающей станции имеют вид коротких импульсов. Спектр короткого импульса занимает большую область частот, и чем короче импульс, тем шире эта область. Поэтому такие сигналы могут мешать станциям, работающим на разных частотах. На экране индикатора в момент прихода к антенне сигнала импульсной помехи возникает всплеск луча развертки, который вполне можно принять за полезный сигнал от цели. Чем больше таких импульсов и чем они мощнее, тем труднее оператору опознать полезный сигнал.

Как ни странно, но работающая радиолокационная станция иногда создает помехи для самой себя. Это так называемые «отражения сигнала от местных предметов». Если их много, то и на экране радиолокатора появится много отметок от неподвижных объектов (таких как крупные здания, холмы, трубы заводов и так далее). На фоне этих отметок очень трудно вести наблюдение за истинными целями. Можно, конечно, не опускать антенну радиолокатора так, чтобы местные предметы не попадали в поле зрения. Но тогда выпадает из поля зрения очень большой сектор пространства. Американские специалисты выбрали, например, другое решение. На полигоне Уайт-Сэнде они возвели вокруг радиолокационной станции металлический забор высотой 32 метра, окружность его равна 670 метрам. Укрепленная на стальном каркасе стальная сетка с ячейками размером 1,27 Х 1,27 сантиметров надежно защищает станцию от радиосигналов, отраженных от окружающих гор и крупных зданий.

Есть, конечно, и другие виды помех и все они так или иначе затрудняют работу радиолокационной станции. Помеха может возникнуть и случайно. Ну, например, какой-нибудь радиолюбитель заберется в чужую область частот и начнет передавать в эфир джазовую музыку или халатный шофер поставит около станции свою машину с неисправной системой зажигания. Это чисто случайные явления, которые заранее не предусмотришь. А вот в чем можно быть уверенным заранее, так это в том, что при возникновении какого-нибудь конфликта противник непременно постарается создать искусственные помехи, да еще такие, которые оказались бы наиболее вредными для радиолокационных станций. Ну об этом мы еще поговорим.

В первые годы существования радиоприемников радисты просто слушали или смотрели, есть сигнал или нет. Не было шума – хорошо, появляется шум – морщились, но терпели как неизбежное зло. Шла эра непротивления шумам и помехам. Потом начали думать, как избавиться от помех. Создали селективный (избирательный) частотный фильтр, а затем и оптимальный согласованный фильтр – убрали часть помех и шумов, частоты которых отличались от частот полезного сигнала. Но и такой фильтр пропускал все-таки много помех. Тогда решили накапливать сигнал. Идея накопления такова. Можно взять два последовательно пришедших сигнала, первый задержать, а потом сложить с только что пришедшим вторым сигналом. При этом суммарный полезный сигнал будет иметь удвоенную величину, так как оба сигнала одинаковы. Но шумы, мешающие нам в различные моменты времени, различны. И там, где у шума, пришедшего с первым сигналом, был положительный выброс, у шума, сопровождающего второй сигнал, может быть отрицательный выброс. В сумме они скорее всего дадут небольшую величину. Поэтому суммарный шум в большинстве случаев будет меньше искажать суммарный сигнал. И чем больше сигналов мы складываем, тем сильнее подавляются шумы и тем выше поднимается уровень суммарного сигнала над уровнем суммарного шума Однако такой метод не всегда можно применять. Поэтому мы пока что займемся одиночным сигналом. Вот мы и вернулись на магистральный путь нашего изложения и будем снова, используя наши знания о шумах, разбираться в том…

Как это у неё получается?

Чем больше амплитуда сигнала, тем труднее его спутать со случайными шумовыми выбросами и тем надежнее мы устанавливаем факт наличия отраженного сигнала, а следовательно, и цели. Значит, для нас увеличение амплитуды даже за счет искажения сигнала полезно и надо постараться усилить этот эффект. Мы уже говорили, что для этого надо применять сигналы с большой базой и фильтры, согласованные с ними. Постараемся подобрать нужный нам сигнал. В станциях, похожих на ту, с которой мы решили познакомиться, традиционно использовались импульсные сигналы – отрезки синусоидальных колебаний. У них ширина спектра и длительность связаны довольно жесткой зависимостью. Произведение этих величин равно постоянному числу, обычно не превышающему двух. Удлиним такой сигнал – его полоса частот уменьшится, укоротим – возрастет. Типичная ситуация, которая называется «Хвост вытащишь – нос увязнет». Так как база при этом сохраняется неизменной и небольшой по величине, то такие сигналы нас не устраивают. Почему? А вспомните, ведь выше мы говорили, что чем больше база сигнала, тем сильнее его можно укоротить, то есть сжать в приемнике. А это позволяет увеличить амплитуду полезного сигнала и точнее определить момент его появления.

Попробуем другой метод. Возьмем длинный сигнал и заставим его частоту изменяться во время передачи. При этом сигнал захватит всю область частот и обеспечит большую ширину полосы сигнала. Строго говоря, мы получаем уже не отрезок синусоидального колебания, который принято называть элементарным сигналом, а другой, более сложный, сигнал. За счет такого усложнения мы сумеем вырваться из круга сигналов с маленькой базой и получить хотя бы один сигнал с большой базой. Чем сильнее мы будем изменять частоту сигнала за время передачи, тем шире будет полоса частот. Умножив ее на большую длительность, мы получим базу, равную 100, 1000 и даже больше. Теоретики назвали такие сигналы сложными, потому что их внутренняя структура не так проста, как у элементарных, да и математическая запись их более громоздка. Для производственников эти сигналы также сложны, но по другой причине. Схемы формирования и согласованные фильтры в этих случаях становятся действительно сложными. Никого из специалистов уже не удивляет, что в современных станциях согласованный фильтр – один из самых важных и дорогостоящих блоков. Качество его работы определяет и характеристики всей станции.

Итак, мы сформировали длинный сигнал с достаточно большой базой и излучили его в направлении цели. Сигнал, отразившись от нее, попадает на приемную антенну и далее в согласованный фильтр. Посмотрим, как происходит укорочение, или сжатие сигнала.

Идея этого сжатия довольно проста. Обратимся сначала к примеру. Представьте себе: к длинной лестнице института один за другим подходят три человека. Сначала пожилой и солидный профессор, слегка страдающий одышкой и берегущей свое сердце. Конечно, он не будет сломя голову бежать по лестнице, а пойдет степенно и неторопливо. Через пару минут приближается полный сил доцент, в последнем приступе молодости ^[16] с портфелем, надежно удостоверяющим его прочное служебное положение. Ему вполне по силам быстро одолеть эту лестницу, но, оберегая свой авторитет, он сдерживает себя и поднимается не спеша, хотя и несколько быстрее профессора. Еще через две-три минуты к лестнице подбегает студент и, перепрыгивая через ступеньки, устремляется наверх. Если лестница достаточно длинная, то на какой-то ступеньке доцент догонит профессора, а их обоих догонит студент. Поскольку автор волен распоряжаться судьбами героев и всеми предметами в своей книге, то тут-то мы и срежем лестницу. Итак, до лестницы профессора и студента разделяло 400–500 метров, а пришли они одновременно. Длина процессии профессор – доцент – студент явно уменьшилась, так наши герои поднимались по лестнице с разной скоростью.

Теперь вернемся к сигналу, частота которого изменяется во время передачи. Мысленно разобьем его на три части и будем приближенно считать, что каждый из трех получившихся отрезков имеет свою собственную частоту. Теперь надо найти устройства, в которых скорость распространения сигналов с различными частотами была бы разной. Радиотехникам такие устройства известны. Это дисперсионные линии задержки. Линиями задержки их называют потому, что на прохождение таких схем сигналу требуется больше времени, чем на прохождение обычных проводников или участка безвоздушного пространства. Сигналы как бы задерживаются в этих элементах. А дисперсионными их называют потому, что сигналы с различными частотами задерживаются в них по-разному: одни побольше, другие поменьше. Именно это свойство мы и используем.

Подберем такие характеристики линии задержки, чтобы отрезки сигнала с разными частотами, поступающие на вход линии один за другим, на выходе появлялись бы одновременно. Для этого надо первым поставить отрезок сигнала, у которого скорость распространения в линии задержки минимальна, а последним – отрезок с максимальной скоростью. Тогда за время прохождения линии задержки отрезки подтянутся друг к другу и сигнал существенно укоротится. Величина сжатия определяется значением базы сигнала: если она равна ста, то сигнал на выходе линии задержки будет приблизительно в сто раз короче. Еще эффективнее предположить, что база сигнала равна ста тысячам, тогда сигнал на выходе укоротится в сто тысяч раз. Вот это уже впечатляет!

Итак, сигнал укоротился. Но энергия сигнала за исключением небольших потерь в линии задержки, осталась той же. Следовательно, его амплитуда должна резко возрасти. Попробуйте перелить воду из широкой, но мелкой тарелки в высокий узкий стакан. Видите, насколько уровень воды в стакане выше уровня воды в тарелке? То же самое происходит и с нашим сигналом после его сжатия. Сигнал существенно поднимется над уровнем помех, и надежность его обнаружения значительно повысится.

Мы рассмотрели сигнал с изменяющейся частотой, который специалисты называют частотно-модулированным сигналом (всеобщее стремление к сокращениям привело к сжатию этого термина до ЧМ сигнала). Но, конечно, это не единственный вид сложного сигнала, который можно сжать в согласованном фильтре. Можно, оказывается, и не изменять частоту сигнала во время передачи, а достаточно время от времени изменять фазу одной и той же несущей частоты. Правда, изменять фазу надо не как попало, а по определенному закону.

Посмотрите на шеренгу зеленых новобранцев, которыми командует бравый офицер. На верхнем рисунке все новобранцы стоят лицом к офицеру. Будем считать, что они находятся по отношению к нему «в фазе». Если какая-то неведомая сила повернет их на 180 градусов и они окажутся к нему спиной, то в этом случае будем считать, что новобранцы по отношению к нам в противофазе. Историки утверждают, что для придворных некоторых монархов «попадание в противофазу» по отношению к владыке влекло за собой смертную казнь. Ну не будем так непримиримы. Вот офицер подает команду: «Кругом!» Для старослужащих выполнение этой команды не представляет никакого труда. Но ведь перед нами зеленые новобранцы. Как видите, мы получили довольно беспорядочный строй (не будем по некоторым соображениям приводить оценку такого построения офицером. Тем более, что нас оно вполне устраивает).

А теперь на место каждого новобранца поставьте отрезок синусоидального колебания”. Если взять отдельный короткий импульс (один солдат), то его спектр будет довольно широким, но база такого сигнала будет невелика. Если все импульсы находятся в фазе (стройная шеренга на верхнем рисунке), то получается непрерывная синусоида большой длительности с узкой полосой частот и опять-таки небольшой базой. А теперь рассмотрим хаотическое расположение отдельных импульсов в общем сигнале (нижний рисунок). В этом случае из-за отсутствия согласования фаз соседних импульсов спектр сигнала будет широким, а длительность (равная сумме длительностей всех импульсов) довольно большой. Поэтому база всего сложного сигнала резко возрастет. Так, например, база сигнала, состоящего из ста отдельных импульсов, будет в сто раз больше базы каждого из них.