СИГНАЛЫ ДЛЯ МЕЖЗВЕЗДНОЙ СВЯЗИ

Радиосигналы, которые мы намерены посылать другим цивилизациям или принимать от них, должны удовлетворять определенным требованиям. Прежде всего нам понадобится два класса таких радиосигналов: сигналы одного класса будут использоваться в качестве позывных, а сигналы другого — для передачи информации. Ясно, что сигналы-позывные, не передающие никакой информации кроме той, что их послала цивилизация, проще информационных сигналов. Но к тем и к другим предъявляется обязательное требование: вид сигналов (их характеристики) должен однозначно свидетельствовать об их искусственном происхождении. Только это позволит нашим радиокорреспондентам выделить их из множества радиосигналов, которые создаются во Вселенной естественным путем и принимаются радиотелескопами нашей и других цивилизаций. Идеальным позывным радиосигналом был бы строго монохроматический сигнал, то есть идеальная синусоидальная электромагнитная волна с определенной длиной. Если бы такое излучение было принято нами из космоса, то никто не сомневался бы в том, что оно имеет искусственное происхождение. Но идеальную синусоидальную волну практически излучить невозможно, поэтому говорят о квазимонохроматических (квази значит почти) радиосигналах, длина волны которых может меняться только в узкой полосе. Поэтому их называют узкополосными сигналами. Преимущество таких сигналов не только в том, что их искусственность однозначно выявляется, но и в том, что они способны распространяться на бульшие дальности, чем широкополосные сигналы. Известно, что подавляющее число радиоисточников во Вселенной испускает сигналы с широким, а точнее сплошным, непрерывным спектром. Но межзвездная среда является неоднородной и поэтому значительно искажает даже монохроматический сигнал. В этом мы убедились, принимая радиосигналы от пульсаров. На основании этого эффекта сигналы от пульсаров анализируют соответствующим образом и из них получают информацию о характеристиках неоднородностей межзвездной среды. Такое же действие неоднородностей космической среды проявляется и на искусственных радиосигналах, которые исходят от космических аппаратов в Солнечной системе и принимаются на Земле. При этом меняется (флуктуирует) не только амплитуда сигналов, но и их фаза и частота.

Все это приводит к тому, что излученный монохроматический сигнал после прохождения космической среды перестает быть монохроматическим. Он скорее похож по характеристикам на флуктуационный шум, и обнаружить такой сигнал можно только тогда, когда он существенно превышает уровень шумов на входе приемника. Если его уровень меньше, то выделить его на фоне шумов очень сложно. В природе имеются и узкие естественные линии излучения. Это, например, излучение гидроксила ОН в диапазоне 18 сантиметров или излучение межзвездного водорода в диапазоне 21 сантиметр, о которых уже говорилось выше. Но ширина полосы первого излучения все же составляет несколько сотен герц, а второго — все 50 тысяч герц. Генераторы способны создавать радиосигналы с полосой всего в несколько герц или даже доли герца. Молекулярные генераторы сужают эту полосу даже до сотых долей герца. Ширина полосы генераторов определяется естественными шумами в системе.

Необходимо сказать и о полосе частот принимаемого устройства. Кто хоть немного знаком с радиотехникой и принципами радиосвязи (или хотя бы радиоприема), тот знает, что ширина полосы приемника является одной из основных его характеристик. Полосу частот приемника можно сравнить с воротами, вход через которые разрешен только излучению с определенными частотами. Ясно, что чем эже эта полоса, тем меньше пройдет в приемник ненужных нам, лишних излучений, являющихся помехой приему. Собственно, если мы точно знаем частоту принимаемого сигнала и он является узкополосным, то и полосу приемника следует выбрать минимальную: сузить ее до такой степени, чтобы пропустить в приемник только полезный сигнал. Правда, если на частоте сигнала имеется радиопомеха, то она, естественно, пройдет в приемник Но зато не пройдут помехи, частоты которых находятся за пределами полосы приемника. К сожалению, даже в идеальном варианте это сделать не удастся. Мешает то обстоятельство, что частота излученного радиосигнала будет регистрироваться в приемнике нашего радиокорреспондента несколько отличной в том случае, если мы удаляемся от него или же приближаемся к нему. Такие же изменения частоты будут регистрироваться нашим радиокорреспондентом в том случае, если он приближается к нам или удаляется от нас. Это любопытное явление наблюдается не только в радиодиапазоне электромагнитных волн, но и во всех других диапазонах (рентгеновском, видимом, инфракрасном и т. д.). Более того, этот эффект наблюдается и в звуковых колебаниях. Каждый из нас неоднократно имел возможность непосредственно слышать проявление этого эффекта, когда стоял на перроне, мимо которого проезжал поезд с гудком. По мере того как поезд приближается к нам, его звук становится более низким, то есть частота звуковых колебаний уменьшается. После того как он минует нас и начнет удаляться от нас, звук становится более высоким. Этот эффект назван именем физика Доплера. Он очень широко используется в физике и технике. Мы об этом эффекте говорили. Применительно к нашей проблеме поиска внеземных цивилизаций можно указать на такое возможное использование этого эффекта. Если на Земле принимать радиосигналы, передаваемые с какой-либо планеты в Галактике, то по измеренному доплеровскому смещению частоты принятых радиосигналов можно определить период обращения планеты вокруг своей звезды, то есть продолжительность года. Скорость вращения планеты вокруг своей оси меньше ее орбитальной скорости. За счет вращения планеты также происходят периодические изменения частоты, которые не выходят за пределы полосы частот сигнала. Это позволяет определить продолжительность суток. Далее по спектральному классу звезды можно определить ее массу. Зная период обращения планеты при помощи третьего закона Кеплера, можно найти расстояние между планетой и звездой. Зная это удаление, можно оценить, какие физические условия имеются на данной планете (например, какова средняя температура ее поверхности). Далее, зная продолжительность суток на планете и определив суточные изменения частоты сигнала, можно оценить величину радиуса планеты. Мало того, более тщательный анализ принятого радиосигнала дает возможность установить даже широту того места на планете, откуда исходит радиосигнал. Специалисты считают, что этим не исчерпывается информация о планете, которую можно получить из простого незакодированного сигнала только потому, что его частота изменяется в результате движения источника, то есть из-за эффекта Доплера.

Многие свойства Вселенной стали известны благодаря изучению доплеровского сдвига частоты естественных электромагнитных сигналов. Мы рассказали здесь об эффекте Доплера не только потому, что это пришлось к слову, а прежде всего потому, что это имеет прямое отношение к проблеме выбора радиосигналов для межзвездной связи и приема этих сигналов. Если мы готовимся принять монохроматический радиосигнал от внеземной цивилизации и знаем (или думаем, что знаем) частоту излучения, то, исходя из этого, мы и должны выбирать ширину полосы приемника. Но эффект Доплера этому мешает. За счет обращения планеты вокруг своей звезды происходит сдвиг частоты, который составляет сотни тысяч герц. Это в десятки раз больше той полосы частот, в которой может находиться сигнал. Как же после этого можно сужать полосу частот приемника без оглядки на эффект Доплера?

Но выход из этого положения был найден. Поскольку нельзя создать один приемник с узкой полосой, так как за пределами этой полосы может оказаться полезный сигнал, а широкополосный приемник плох тем, что в него лезут помехи и мешают выделению полезного сигнала, решили использовать не один приемник с широкой полосой, а миллион или даже несколько миллионов приемников, полоса частот каждого из которых является очень узкой. Она может измеряться даже долями герца. Конечно, этот вариант дорогостоящий — создавать миллион приемников, естественно, дороже, чем создавать один приемник. Но другого выхода специалисты не видят.

В радиосвязи, применяемой нашей цивилизацией для внутреннего пользования, для передачи информации применяется модуляция радиосигнала, который сам имеет определенную частоту. Напомним просто суть этого процесса. Синусоидальное электромагнитное колебание характеризуется амплитудой, частотой колебания и начальной фазой. Если мы хотим передать какое-либо сообщение из одного пункта в другой (то есть к радиоприемнику), то для этого используется электромагнитное колебание высокой частоты. Такое колебание свободно распространяется в пространстве. На это высокочастотное колебание, которое, если можно так сказать, служит ногами сообщения, нагружают те медленные изменения, которые отражают изменения давления воздуха на мембрану микрофона при разговоре или пении. Нагрузить эти медленные изменения во времени (называемые функцией сообщения) на высокочастотные колебания можно тремя способами. Во-первых, можно в такт медленных изменений изменять амплитуду высокочастотного колебания. Тогда в приемном пункте эти изменения амплитуды можно расшифровать и восстановить функцию сообщения. Высокочастотное колебание уже становится ненужным после того, как оно выполнило свою миссию — перенесло сообщение. Этот способ нагрузки информации называется амплитудной модуляцией, то есть изменением модуля (величины) амплитуды.

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 узко-полосными. 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 от носит ельных 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 величины далеко не всегда можно. Эти абсолютные величины могут изменяться в процессе распространения высокочастотного колебания на длинной космической трассе. Как же избежать этих изменений?

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 многолучевос-тью 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 промодулированные 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 многолучевости 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 периодическую фазовую модуляцию. Наибольшей помехозащищенностью обладают сигналы, фазы которых отличаются на 180° (поэтому такие сигналы называют противоположными). Поскольку для условий космической среды следует применять только относительную фазовую модуляцию (манипуляцию), то периодическая модуляция не будет означать изменения фазы на 180°. Так было бы при абсолютной фазовой модуляции. В данном случае фазу на передаче надо менять с периодом того периодического процесса, который наложен на несущую частоту. Так можно достигнуть практически полной, предельно возможной помехозащищенности. При этом предполагается, что разность фаз любых двух соседних посылок остается неизменной при распространении сигналов через космическую среду. Это накладывает ограничения на величину периода. Показано, что длительность периода должна быть выбрана в пределах между 5·10–4 и 5·10–3 секунд. Это соответствует диапазону частот между 200 и 2000 Гц. В этот диапазон попадает частота 1420 Гц, соответствующая длине волны 21 сантиметр, предлагаемой как природный стандарт для связи внеземных цивилизаций друг с другом и с нами. Поэтому автор разработки предлагает сделать этот природный стандарт двойным, то есть использовать частоту 1420 Гц как несущую для связи с внеземными цивилизациями и эту же частоту использовать для периодического процесса. Можно также выбрать частоту периодического процесса в 10, 100 и 1000 раз меньшую, то есть равную 142, 14,2 и 1,42 Гц. Последние две частоты можно использовать при частотной манипуляции или модуляции. Применяя периодическую модуляцию (частотно-фазовую), можно сформировать сигналы, которые будут сохранять свою периодичность и при передаче информации в виде отдельных импульсов, то есть дискретной, например двоичной, информации. Если использовать одновременно абсолютный метод для периодической модуляции частоты и относительный метод для модуляции фазы, то можно сформировать радиосигнал с четко выраженной периодической составляющей, позволяющей в то же время переносить дискретную информацию (например, в двоичном коде). Периодическая составляющая такого универсального сигнала может быть выделена путем накопления при любом уровне сигнала относительно уровня шумов, а постоянная составляющая может быть зарегистрирована в том случае, если уровень сигнала выше уровня шумов. Уровень сигнала, при котором возможно такое выделение, во многом определяется степенью совершенства приемной техники.

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.