Adam Cebula	Para, nauka i obok
	strona 23

Ty ponad szumy wylatuj!

Do działania niektórych urządzeń się przyzwyczailiśmy: działają jakimś magicznym sposobem. Inne, zazwyczaj o wiele mniej magiczne, działające gorzej, zadziwiają nas. Dzieje się tak zazwyczaj wówczas, gdy są one "protezami" naszych ułomnych zmysłów i gdy możemy porównać ich skuteczność z tym, w co nas wyposażyła natura.

Dwa miesiące temu zrobiliśmy razem pierwszy rekonesans w krainie elektroniki. Tym razem chciałem poświęcić się jednemu zagadnieniu: obróbce sygnałów, detekcji nadawaniu w trudnych warunkach, w których zdaje się, że przekraczamy fizyczne możliwości urządzeń.

W zadumę nad tym, jakim cudem mikroskopijne ilości energii docierające do anteny odbiornika potrafią się zmienić w piękną audycję, popadają zazwyczaj tylko radioamatorzy. Rzecz została opanowana dziesiątki lat temu i tylko wówczas, gdy te same metody zostają przeniesione na inny grunt, wzbudzają większe zainteresowanie publiczności.

Jak TO działa? Poprzednim razem doszliśmy do niezwykłej możliwości, jakie stworzyła nader prosta konstrukcja zwana triodą. Jej konstruktor, amerykański technik kinowy prawdopodobnie do końca nie bardzo wiedział o co chodzi. Pozostawmy jednak historyczne anegdoty na boku, dość bowiem jest do opowiadania o technicznej istocie rzeczy. Jak także poprzednio pisałem, triodę w przypadku wzmacniacza akustycznego łatwo zastąpić banalnym urządzeniem, ruchomą klapą, która reguluje np. przepływ powietrza w przewodzie. Takie urządzenie wykonuje funkcję STEROWANIA. Mała moc sygnału sterującego powoduje duże, zazwyczaj wielokrotnie większe zmiany mocy sygnału sterowanego. Pracownik zapory wodnej, podnosząc zastawę i wykonując tylko pracę potrzebną do jej uniesienia, może wypuścić setki tysięcy metrów sześcienny wody, których energia potencjalna będzie ją przewyższała miliony razy. Nikogo to nie dziwi.

Cóż jednak przeszkadza w użyciu zapory wodnej, która ma tak diabelne własności wzmacniające do odbierania bardzo małych sygnałów? Co by przeszkadzało do zastawy doprowadzić jakiś bardzo mały mechaniczny sygnał i zarejestrować go, powiedzmy, mierząc ilość przepływającej wody? Na podobne problemy możemy natrafić, konstruując realnie istniejące wzmacniacze sygnałów pneumatycznych. Do odbierania np. sygnałów z Marsa to się nie nada. Dlaczego?

Bo nieelektronicze układy sterujące mają szereg poważnych wad. W przypadku zapory, to do poruszenia zastawy zawsze potrzebujemy pewnej siły "większej niż". Można się przekonać, że (zazwyczaj) nawet normalnych drzwi nie da się ruszyć, choćby odrobinę, popychając je kartką papieru. Kartka się zegnie, drzwi pozostaną w miejscu. Cecha ta nazywa się nieliniowością układu.

Otóż, lampy elektronowe czy tranzystory mają tę fantastyczną cechę, że reagują na piekielnie małe sygnały, właściwie na dowolnie małe. Istnieje ograniczenie, które nie pozwala nam rejestrować tych zmian, ale dzięki sztuczkom możemy ów próg najmniejszych rejestrowanych zmian przesuwać. Jest to poziom własnych szumów. Tak na oko można powiedzieć, że gdy sygnał jest mniejszy od nich, to już "znika".

W elektronice "tak naprawdę" od zawsze walczono o możliwość przetwarzania "pod szumami". Jak poprzednio wspominałem, współczesne odbiorniki radiowe są w stanie "wysupłać" sygnały na poziomie milionowych części wolta przy sygnałach zakłócających na poziomie dziesiątków woltów. W książkach tę informację znajdziemy rzadko. Jednak jest właśnie tak: to nie żadna specjalna technologia, prawie zawsze wydobywamy sygnał, który jest wielokrotnie, czasami miliony razy mniejszy od poziomu zakłóceń. Trochę gorzej jest z szumami (możemy się uprzeć, że szumy to coś innego niż zakłócenia), zwłaszcza z tak zwanym szumem białym, który by narobił kłopotów. "Biały" może być tylko w wąskim zakresie częstotliwości. Tak czy owak, bez skutecznych technicznych sztuczek, które pozwalają na podstawie jakiejś cechy odsiać ziarno od plew, radio by nie działało.

Tym cudownym filtrem są elektroniczne huśtawki, które potrafią rozróżnić diabelnie małe różnice w częstotliwości odbieranych sygnałów. Mają one jeszcze jedną zadziwiającą cechę, którą ma każdy układ drgający: potrafią gromadzić energię regularnie powtarzającego się sygnału, natomiast "stracić" energię przypadkowych impulsów. Dzięki temu "wyciągają" regularne sztuczne sygnały radiostacji i osłabiają np. szum termiczny. Działaniu tego czegoś warto poświęcić chwilę uwagi. Otóż "normalnie", takie urządzenia są skonstruowane z cewki i kondensatora. To klasyczny obwód drgający LC. Rozbujanie takiej elektrycznej huśtawki czasami prowadzi do podobnych efektów, jak pozostawionym sobie ogródku z łobuzami: coś efektownie trzaśnie, czy się urwie. Ciekawostką może być to, że tak zwanych szeregowych obwodów rezonansowych używało się do zimnego zapłonu świetlówek. Rozbujane częstotliwością 50 Hz (zwykła miejska sieć), osiągały na elementach napięcia o wiele większe od 220 woltów (ok. 1000 V), co w końcu prowadziło do przeskoku iskry w rurze świetlówki. Dzięki takiej sztuczce majsterkowicze potrafili "odpalać" świetlówki z przepalonym włóknem. Z bardzo podobnego powodu, nadmiernego rozbujania się obwodu rezonansowego, potrafią w nadajnikach "trzasnąć" (z wielkim hukiem) kondensatory. Aby wytrzymały warunki panującej w takiej elektrycznej "hustawce", muszą mieć one często specjalną konstrukcję, podobnie cewki, które w radiu są nawijane cieniutkim drucikiem, aby przenieść wielkie prądy w nadajnikach są często zwijane z grubych miedzianych rur. Historia ta jest ilustracją faktu, że w gruncie rzeczy elektroniczne obwody drgające są inną realizacją huśtawki.

Jak już napisałem, zasada działania opiera się na tym, że niewielka energia pobudzających sygnałów jest stopniowo gromadzona, aż amplituda uzyska jakąś "słuszną" wartość.

Istnieje pewien parametr, obiecująco zwany dobrocią, który biedni studenci przeklinają na ćwiczeniach. Mówi on nam o zdolności wydobywania przez dowolną huśtawkę elektroniczną lub mechaniczną małego sygnału. O co chodzi?

Można się zastanowić, jak bardzo daje się małymi popchnięciami rozbujać huśtawkę. Inaczej mówiąc, czy jeśli popycham tylko troszeczkę małym paluszkiem ale cierpliwie i bardzo długo każda huśtawka uzyska dowolną amplitudę wychyleń? Na pierwszy rzut oka zdawałoby się, że zawsze im dłużej będziemy popychać, tym mocniej rozbujamy, ale dość łatwo wymyślić graniczny warunek. Jeśli w czasie pomiędzy popchnięciem huśtawka straci energię równą dostarczanej tym małym paluszkiem, to już dalej się nie da, koniec z powiększaniem wymachów.

Ponieważ zazwyczaj popychamy w takt wychyleń, to wygodnie jest wprowadzić taką definicję dobroci układu, która jest stosunkiem całej energii zgromadzonej w huśtawce, do energii traconej w jednym "huśnięciu". (W ogólności można popychać niekoniecznie całkiem w takt, byle zgodnie z ruchem huśtawki). Definicja ta zakłada, że energia tracona jest wprost proporcjonalna do amplitudy drgań. Nie zawsze tak jest, czasami dla wielkich amplitud dobrocie układów maleją, ale w urządzeniach elektrycznych mamy ten komfort, zwłaszcza w zakresie piekielnie małych mocy, że nie musimy się przejmować dodatkowymi efektami.

Jeśli się zastanowimy chwilę, to dojdziemy do wniosku, że ów parametr może nam nieco pokrętnie powiedzieć, jak długo będzie rosła amplituda drgań obwodu, który startuje od zera, do ustalenia się pewnej amplitudy. Dość łatwo zauważyć, że dla obwodów o dużej dobroci czas ten będzie większy, wprost proporcjonalny do jej wartości. Odwrotnie dla małych wartości tego parametru, obwód drgający szybko osiągnie wartość "nasycenia".

Te teoretyczne rozważania prowadzą do odkrycia dość zaskakującej i jednocześnie bardzo podstawowej własności wszelkich kanałów transmisji sygnałów. Pomyślmy: jeśli transmitujemy sygnały "cyfrowe" (jest, nie ma) to szybkość przekazu jest wprost proporcjonalna do ilości tych impulsów, jaką możemy w ciągu sekundy wyemitować. Jednocześnie widać, że im "lepsze", o większej dobroci obwody w odbiorniku zastosujemy, tym dłużej trzeba nadawać jeden impuls, bo czas rozbujania obwodu będzie większy. Jednocześnie po ustaniu sygnału (gdy obieramy "nie ma", czyli zero) trzeba też poczekać, żeby przestał się on dyndać.

Jak widać: nie ma nic za darmo. Jeśli chcemy przesyłać szybko wielkie ilości informacji, to musimy dysponować mocnym nadajnikiem, bo w odbiorniku nie można zastosować obwodów o wielkiej dobroci. A co ważniejsze, transmisja zajmie – jak się to w elektronice nazywa – szerokie pasmo. Upraszczając sprawę, rzecz można wyjaśnić tak, że w pobliżu częstotliwości, na której odbywa się taka "szybka" transmisja, nie może nadawać inna radiostacja, skoro odbiorniki naszej cyfrowej audycji nie mogą mieć zbyt "dobrych" (zbyt selektywnych) obwodów, które długo się "rozhustywają". A na skutek tego nie są w stanie odsiać "obcej" emisji od "swojej".

Własność ta jest powodem ciągłych wojen o koncesje na eksploatację częstotliwości fal radiowych, powodem tego, że telewizja straszliwie zaśmieca eter, bo zajmuje w nim bardzo wiele miejsca. Na skutek tego samego emisja audycji stereofonicznych jest bardziej szerokopasmowa od audycji mono. To wreszcie powoduje, że zapychają się światłowody Internetu. Nawet urządzenia modulujące wiązki świetlne mają ograniczone zakresy częstości działania i choć nie zawsze uda się nam w urządzeniu zobaczyć obwód drgający, to skutek jest taki sam.

Ograniczona ilość informacji, jaka daje się wepchnąć w radiowe łącza, zmusiła elektroników do opanowywania coraz wyższych częstości. Stosunkowo wiele się pisze o wojnie o mikrofale, która rozstrzygnęła o radarowym panowaniu podczas II wojny światowej, ale o tym, że także zwykła technika łączności musiała się ciągle piąć w górę na skali częstości pisze się niewiele. Łatwo wyjaśnić dlaczego. Jeśli weźmiemy dwie huśtawki o takiej samej dobroci, lecz o częstościach różniących się dwukrotnie, to łatwo zauważyć, że ta druga będzie się dwa razy krócej "rozhuśtywała". Tak naprawdę, dla tej samej ilości przesyłanej w ciągu sekundy (albo zdrowaśki) zajmowane pasmo częstotliwości pozostaje takie samo, lecz technicznie łatwiej jest wykonać "szerokie" łącze przy wysokich częstotliwościach.

Współcześnie trzeba do łączności co najmniej setek megaherców, dla telewizji satelitarnej mamy pasmo około 10 GHz, a to z powodu coraz większej ilości przesyłanej informacji. Im lepszej jakości obraz telewizyjny, tym więcej szczegółów trzeba przesłać, tym szersze pasmo.

Idąc w drugą stronę, możemy wyjaśnić fantastyczną odporność na zakłócanie transmisji telegraficznej dokonywanej za pomocą sygnałów Morse’a. Otóż, ponieważ nadawane znaki trwają dość długo, można do ich odbioru zastosować obwody o piekielnie wielkiej dobroci rzędu kilku milionów.

Normalna konstrukcja złożona z cewki i kondensatora pozwala na uzyskanie dobroci rzędu 150. Czasami stosuje się filtry elektromechaniczne (były takie patenty z kamertonem), gdzie mamy przetwornik prąd – siła, który napędza ów kamerton, i sygnał jest odbierany za pomocą swego rodzaju mikrofonu. W tych urządzeniach osiągnięto dobroci rzędu 15 000. Jednak patentem okazał się kryształ kwarcu. Ma on własności piezoelektryczne, deformuje się pod wpływem pola elektrycznego i odwrotnie: jego ściskanie czy rozciąganie powoduje wygenerowanie ładunku elektrycznego. Wystarczy napylić na odpowiednio wycięty kryształ elektrody i już mamy huśtawkę, której dobroć sięga milionów. Oznacza to, że "już" po kilku milionach popchnięć uzyska ona pełną amplitudę.

Teraz słówko o tym, jak działa "czysty" nadajnik telegraficzny. Otóż jest to chyba najprostsza konstrukcja dla radioamatora. To coś, co emituje "gołą", niczym nie zmodulowaną falę, gdy przyciśniemy klucz, i co przerywa emisję, gdy go podniesiemy. Charakterystyczne pikanie (ti titi, tatata) uzyskujemy już w odbiorniku. Zazwyczaj sygnał telegraficzny "daje głos" dopiero po zmieszaniu z tak zwanym lokalnym generatorem.

Taka konstrukcja powoduje, że sygnał telegraficzny nadzwyczaj równo, przez bardzo długi czas, jak na elektronikę, rzędu ułamka sekundy, rozhuśtuje filtr. Jeśli jest nim kryształ kwarcu, dopiero po tak długim czasie uzyska on pełną amplitudę. Dzięki temu "wytnie" on wszelkie sygnały zakłócające, które – jak to się mówi – nie spełniają kryterium fazy i częstości odbieranego sygnału telegraficznego.

Mówimy, że pasmo sygnału telegraficznego jest bardzo wąskie. Oznacza to, że stacje odległe od naszego sygnału o zaledwie dziesiątki herców będą wyraźnie stłumione. Ale to jeszcze nie wszystko. W trakcie współczesnych wojen między innymi podczas "Pustynnej Burzy" Amerykanie celowo emitowali zakłócające sygnały, żeby uniemożliwić Irakijczykom łączność. Jak się chwaliła nasz ambasada, pomimo tego łączność telegraficzna działała.

Jak to możliwe? Ano, zakłócenia musiały pokrywać bardzo szeroki zakres częstotliwości. Nieco oszukując, można to wyjaśnić tak, że radiostacja, która je produkowała, mogła nadawać w pobliżu jednej częstotliwości tylko przez bardzo krótki czas ułamki milisekundy i natychmiast przestrajać się gdzie indziej. Tymczasem nadajnik telegraficzny "trzyma" się jednej częstotliwości prawie przez sekundę. Na oko można oszacować, że amplituda wymuszona przez zakłócenia w takich warunkach przy tej samej mocy sygnałów będzie się różniła co najmniej tysiąc razy. Fachowo mówimy o widmowej gęstości mocy.

To kolejne odkrycie: jeśli chcemy zakłócać wrogowi emisję radiową, to im większy zakres częstości chcemy pokryć, tym większej mocy musi być nadajnik. I nie ma zmiłuj. Jeśli zaś nasz npl (taki wojskowy skrót od "nieprzyjaciel") postanowi używać do łączności telegrafii, to może być naprawdę bardzo trudno, trzeba bowiem w każdym kawałku radiowego widma wyemitować tyle mocy, by po stronie odbiorczej niczego nie dało się zrozumieć. Dowcip polega na tym, że moc nadajników zakłócających musi być rozproszona na cały zakres długości fal, natomiast ktoś, kto chce przesyłać informacje, skupia moc swego nadajnika w bardzo wąskim zakresie.

Tu – jak to się mówi – pouczający przykład. Jeśli przyjmiemy, że pasmo sygnału telegraficznego to 10 Hz, zaś częstotliwość nośna zazwyczaj wynosi ok. 10 – 30 MHz, to zakłóceniami trzeba pokryć zakres co najmniej kilku MHz. Ponieważ 10 Hz jest mniejsze od 1 MHz sto tysięcy razy, widać, że będą poważne techniczne kłopoty. (Uwaga, sygnały o różnych częstościach nie dodają się "wprost" lecz jako pierwiastek z sumy kwadratów).

Hitem ostatnich lat jest tak zwana transmisja podprogowa. Polega na tym, że częstość nadajnika i odbiornika wędruje w sposób zsynchronizowany, ale dla osoby niewtajemniczonej zupełnie przypadkowy. Działaniem obu urządzeń sterują generatory pseudolosowe. Można wykonać je tak, by generowały identyczne przebiegi, które dla kogoś, kto nie zna algorytmu, wydadzą się zupełnie przypadkowe, natomiast w rzeczywistości są ściśle zdefiniowane. Wówczas dla kogoś, kto np. chce podsłuchać audycję, "ucieka" ona cały czas po skali odbiornika w całkowicie chaotyczny sposób. Jeśli odpowiednio dobrać parametry, może się okazać, że jej odbiór jest całkowicie niemożliwy, ginie ona w szumach (kosmos szumi w sposób naturalny). Taka emisja dla osoby postronnej może mieć wielokrotnie mniejszą od tych szumów moc. Nie ma bowiem problemu z tym, by stosunkowo konkretną moc nadajnika "rozmazać" na tak szerokie pasmo częstotliwości, by stała się ona znacznie mniejsza od sumarycznej mocy zakłóceń. Nie ma więc fizycznego sposobu, by ją zauważyć.

Tak nieco na marginesie, oto może być powód, że nie wykrywamy cywilizacji pozaziemskich. Założyliśmy sobie bowiem technologię łączności z "epoki wczesnego radia". Tymczasem nasze współczesne doświadczenia z crakerami pokazują, że wszelkiego rodzaju kanały przenoszące informację muszą być bardzo starannie chronione. Do połączeń pomiędzy komputerami używamy obecnie ssh, stary, poczciwy i bardzo fajny telnet poszedł do lamusa. Niezorientowanym wyjaśniam, że chodzi o programy, które pozwalały na zdalną pracę z jednej maszyny na innej. Telnet był otwartym protokołem, każdy kto odebrał przesyłane pakiety, mógł je odczytać. Program ssh szyfruje całe połączenie, dla postronnej osoby jest ono całkiem nieczytelną miazgą. Bardzo możliwe, że nasi kosmiczni bracia muszą postępować identycznie i całe ich audycje widzimy jako zupełnie przypadkowy szum. Na dodatek, jeśli ukrywają swe łącza za pomocą techniki rozproszonego widma, nie mamy najmniejszych szans stwierdzić istnienia emisji.

Wszystko jest pięknie, gdy mówimy o nadawaniu cyfrowym lub o łączności telegraficznej. A co z "normalną" łącznością głosową? Otóż najprostszy sposób nadawania dźwięków za pomocą radia polega na zmodulowaniu fali nośnej sygnałem akustycznym. Rezultat jest taki, że gdy jest głośno, sygnał radiowy jest mocno "zafalowany", a gdy cicho – "prawie równy". Dokładniejsza analiza skutków MODULACJI AMPLITUDOWEJ prowadzi do wniosków, że w jej rezultacie dzieją się rzeczy dość nieoczekiwane. Sygnał nośny rozmazuje się wokół nadawanej częstotliwości. Co to oznacza? Fizycznie tyle, że jeśli uruchomimy taki "telegraficzny" odbiornik z bardzo wąskim pasmem przenoszenia i zaczniemy go przestrajać wokół częstotliwości nadajnika "głosowego", to namierzymy nie jedną stację ale aż trzy!

Rezultatem modulacji amplitudowej powszechnie oznaczanej jako AM jest dolna wstęga równa różnicy częstotliwości nośnej i częstości akustycznej, sygnał nośny i wstęga górna równa sumie częstotliwości nośnej i akustycznych.

Nie trzeba być specjalnie mądrym, że jest to marnotrawstwo mocy. W przypadku służb np. łączności pomiędzy statkami w porcie, gdzie eter jest zatłoczony, jest to dodatkowo emitowanie niepotrzebnych sygnałów. Dlaczego? Po pierwsze, "nośna" nie zawiera żadnej informacji. To czysta sinusoida. Nie potrzebna jest także któraś z bocznych wstęg. Nie wiemy jeszcze, jak to zrobić, ale widać, że można ją odtworzyć, mając tylko jedną wstęgę i częstotliwość nośną.

Dywagacje powyższe doprowadziły do powstania tak zwanej modulacji jednowstęgowej. Była ona (jeszcze jest) powszechnie stosowana do łączności głosowej we wszelkiego rodzaju radiotelefonach. Polega ona na takim sprytnym zmodulowaniu sygnału radiostacji, by wyemitować tylko jedną wstęgę, górną lub dolną, a wyciąć drugą i częstotliwość nośną. Jej odbiór na zwykłych radiach był niemożliwy, ale wystarczało dodanie niewielkiego generatora dudnieniowego i można sobie było posłuchać np. rozmów krótkofalowców czy lotników. Ten generator produkował czystą sinusoidę w miejsce nośnego sygnału. Zmieszanie z nią odbieranej wstęgi powoduje powstanie drugiej, którą wycięto przy nadawaniu i cały sygnał zostaje odtworzony. Jednak niejako morałem z tej historii jest znowu inteligentne rozporządzanie widmem sygnału czyli jego upakowanie w poszczególne częstotliwości. Im węższe widmo, tym większa odporność na zakłócenia. Z tejże przyczyny w radiotelefonach mamy charakterystyczne "telefoniczne" brzmienie mowy. Wynika ono z ograniczenia pasma przenoszonych częstotliwości akustycznych. Zawiera się ono pomiędzy 300 Hz i 3 KHz. Dla porównania, dobra audycja radiowa przenosi częstotliwości od 40 Hz do 16 KHz. Dolne częstotliwości nie są "szkodliwe" dla telefonów, lecz górne zjadają niepotrzebnie wiele mocy. Tak więc kosztem jakości (ale nie koniecznie zrozumiałości) ładujemy tę moc nadajnika w najpotrzebniejsze dla mowy częstości.

Pasmo przenoszenia było prawdopodobnie (a może nadal jest) jednym z największym problemów dla konstruktorów systemów łączności na ultradługich falach radiowych z łodziami podwodnymi. Dowcip w tym, że krótkie fale to szybkozmienne pole elektromagnetyczne. Woda morska jest elektrolitem, w którym te pola generują "obrazowe" ładunki i w rezultacie krótkie fale odbijają się od powierzchni morza, nie wnikając do jego wnętrza. Im częstotliwości fal mniejsze, tym ów efekt mniejszy. Fale o bardzo małych jak na radiowe konstrukcje częstościach do łączności z podwodnymi łodziami stosowano już co najmniej podczas II wojny światowej, lecz prawdziwym rekordzistą było w tej dziedzinie USA, które w latach osiemdziesiątych zbudowało system działający na częstości zaledwie 30 Hz! Jako radioamator kilka razy czytałem tę informację, by sprawdzić, czy mi się coś w oczach nie troi. Otóż "normalne" radio pracuje na częstościach rzędu 100 000 Hz. Są to fale o długości rzędu kilometrów i do ich wyemitowania potrzeba anteny o długości co najmniej kilkuset metrów. Fala 30 Hz ma długość bagatela 10 000 km. Nie mam pojęcia, jak ją wyemitować. A jak odebrać? Pamiętamy, że rewelacyjne wyniki dla sygnałów Morse’a wynikają z tego, że filtr, który je oczyszcza z zakłóceń, zanim się rozbuja, potrzebuje kilku milionów popchnięć. Zachowując proporcje w tym systemie, przekazywalibyśmy jeden sygnał na mniej więcej dobę!

Nie mam pojęcia, jak to-to działało, wiadomo, że marynarka amerykańska nie była zadowolona, bo prowadzono próby z systemami laserowymi. W międzyczasie padł ich największy "enpel" i prawdopodobnie sprawy zostały rozgrzebane i nie rozwiązane.

Skorośmy już o tylu dziwach opowiedzieli, jeszcze jeden szczegół: superhetereodyna. Słówko zrobiło przed wojną w Polsce karierę prawdopodobnie za sprawą filmu "Zapomniana Piosenka" (Melodia?), gdzie szalony wynalazca usiłował wytłumaczyć, o co chodzi. Zapewne podobnie zabrzmią i moje wysiłki, ale spróbujmy.

Gdy opowiadałem o filtrowaniu sygnałów za pomocą kryształu kwarcu, to można by zadać banalne pytanie: a jak zmienić częstość takiego filtra? Kryształ kwarcu jest dla tego taki dobry, że częstość jego drgań w bardzo małym stopniu zależy od zewnętrznych warunków. Nie daje się jej zmieniać.

No i znowu sztuczka techniczna z lokalnym generatorem. Odbieramy sygnał z anteny, wejściowe przestrajane obwody z grubsza otrzepują go ze śmieci. A dalej jest on mieszany z sygnałem lokalnego generatora, który jest tak strojony, by różnica częstości była stała i równa na przykład częstości drgań własnych naszego kwarcu. Inaczej mówiąc, po wstępnej obróbce sygnał jest filtrowany za pomocą "znormalizowanych" filtrów, jak w nadajniku AM ów sygnał lokalny jest modulowany sygnałem odbieranym i powstają trzy wstęgi różnicowa, sygnał nośny i sumaryczna. Zazwyczaj interesuje nas częstość różnicowa. Nie tylko upraszcza to konstrukcję, ale pozwala np. w odbiornikach satelitarnych zamienić szalenie technicznie kłopotliwą częstość mikrofalową na "rozsądną". W odbiornikach TV SAT ten przemiennik częstotliwości siedzi w ognisku anteny. W skrzynce stojącej w domu znajdziemy jeszcze jeden.

Tak w tej chwili są konstruowane wszystkie odbiorniki. Właściwe odfiltrowanie sygnału z szumów i zakłóceń następuje w torze tak zwanej częstotliwości pośredniej, w której wszystko jest "zestrojone na stałe". Filtry kwarcowe w sprzęcie powszechnego użytku spotyka się bardzo rzadko, w rzeczywistości są to bardzo "nietechnologiczne" urządzenia, składają się z kilku kryształów, które na dodatek muszą zostać zestrojone. To ostatnie krótkofalowcy robili... gumką, ścierając mikroskopijne ilości metalu z napylonych elektrod. Zwykła zmiana ich wagi wprowadzała niezbędną korektę częstości.

Czas na jakieś podsumowania na obszarze tego odcinka. Dlaczego elektronika okazała się tak skuteczna? A dlatego, że nowa technologia w naturalny sposób usunęła ograniczenia mechaniki. Nie ma sposobu, by zbudować mechaniczny odpowiednik lampy elektronowej. Oczywiście zasuwa na zaporze daje piekielne wzmocnienie sygnału. ale... lampa większe. W rzeczywistości sterowanie przepływem elektronów w lampie odbywa się "bezmocowo", czasami całkowicie bez strat energii. Dlaczego? Ano sprytna sztuczka (o której może innym razem) z potencjałami powoduje, że na elektrodzie sterującej nie płyną prawie żadne prądy. Lampy w porównaniu z jakąkolwiek konstrukcją mechaniczną mają piekielnie mały poziom szumów (gdybyśmy chcieli za pomocą zapory wzmacniać sygnały, to się przekonamy, że woda chlupie). Nie da się też niczego równie dobrego jak lampa czy tranzystor zbudować z elementów pneumatycznych (choć istnieje swego rodzaju odpowiednik elektroniki: pneumonika). Przyczyna tkwi w tym, że zjawiska elektryczne są bardzo "czyste", oddzielone od otaczającego nas świata właśnie technologią. Urządzenia mechaniczne są bardzo wrażliwe na wstrząsy (nasz wzmacniacz na zaporze reagowałby na deszcze wiatry i lądujące kaczki). Wartość prądu w obwodzie nie zmienia się (prawie), gdy nim trząść, stukać w niego. Owszem, są zjawiska "mikrofonowania", na przykład w starych odbiornikach można było usłyszeć w głośniku stukanie w lampy, ale ich poziom jest o wiele rzędów mniejszy niż w urządzeniach mechanicznych.

Generalnie świat zjawisk mechanicznych jest zaśmiecony szumami sygnałami (krowy ryczą, kury gdaczą) a pola elektromagnetyczne są pod ścisłą kontrolą człowieka. Zanim on zaczął je wytwarzać, prawie ich nie było w przyrodzie, przynajmniej w radiowym zakresie. Dlatego to się udało.

Zacząłem od porównania z naszymi zmysłami. Do odbierania sygnałów służą chyba najbardziej uszy. Nadajnikiem jest nasze gardło. Jak daleko można sobie tym systemem przekazać? Jakieś kilkaset metrów. W szczególnych okolicznościach kilometr, może dwa. W mieście zakres tego typu łączności jest ograniczony do kilkudziesięciu metrów. Dlaczego? Bo w interesującym nas zakresie "nadają" także samochody. Wszechogarniający hałas zjada wszelką transmisję.

W swoim czasie wpadłem na pomysł, że za pomocą anteny satelitarnej można by zmajstrować genialny mikrofon do, na przykład, podsłuchu. Wymontowujemy konwerter, wsadzamy na jego miejsce mikrofon i już. Spodziewałem się jakichś kosmicznych osiągów. Oczywiście figa. Lepiej, można posłuchać czasami na 100, 200 metrów, ale czasami. Co jest przyczyną? Tak zwane zniekształcenia fazowe, które wywołuje zwykły wiatr. Generalnie, by czasza anteny skupiła falę dźwiękową w ognisku, ta fala musi mieć piękny, regularny kształt płaskich powierzchni. Wiatr dmuchnie i poruszy ośrodkiem, w którym fala się rozchodzi... i głos zanika. Piękne powierzchni się krzywią. Te eksperymenty każą wsadzić raczej między bajki legendy o mistrzach podsłuchu. Owszem, da się, ale trzeba podrzucić "pluskwę". Z oddali figa, o ile nie mamy szczęścia.

By jednak pozostać przy sprawach bardziej technicznych jak sensacyjnych i szpiegowskich, owszem, są mistrzowie podsłuchu, i nawet możemy często nacieszyć uszy rezultatami ich pracy: to amatorzy głosów ptaków. Ale dlaczego im to wychodzi? Ano... znowu pasmo emisji. Ptaki wyciągają swe trele w zakresie kiloherców. Buduje się specjalne piszczałkowe mikrofony zawierające rury "nastrojone" na interesujące częstości i tym samym wycinające inne. Taka operacja jest możliwa z ptaszkiem, bo żeby "zrozumieć" jego śpiew, potrzebujemy dźwięków z zakresu powiedzmy 1500 – 2000 Hz. Często "obsługuje" on kilka charakterystycznych częstości z tego zakresu, przez co łatwo jest ten śpiew odfiltrować: zakres częstości wynosi 1/4 w stosunku do "nośnej". Dla porównania mowa ludzka to pasmo 3000 – 300 Hz, zmiana częstości 10 razy i filtrowanie jest bardzo trudne.

Cóż czyni technikę elektronową tak skuteczną? To, że pewne operacje, które bez niej byłby do przeprowadzenia jedynie teoretycznie, dzięki "czystości" środowiska elektrycznego okazują się możliwe. Z kulturowego punktu widzenia ważne jest chyba to, że wiedza matematyczna napotkała tu możliwość technicznej realizacji. To dzięki temu, że różne dziedziny miały wspólny punkt, miejsce, gdzie się spotkały, "to" działa.