Pod koniec XIX i na początku XX wieku szybko rozwinęła się łączność telefoniczna i radiowa. W 1882 roku w Petersburgu uruchomiono pierwszą centralę telefoniczną w Rosji. Stacja ta miała 259 abonentów. Mniej więcej w tym samym czasie w Moskwie było 200 subskrybentów.
W 1896 roku Aleksander Popow przesłał pierwszy sygnał radiowy na odległość 250 metrów, składający się tylko z dwóch słów: „Heinrich Hertz”.
Rozwój komunikacji znajduje się na czele postępu technologicznego. Od tego czasu minęło nieco ponad sto lat, a dzięki pracy naukowców i inżynierów z tej branży widzimy, jak zmienił się świat.
Nie wyobrażamy sobie życia bez telefonów, radia, telewizji i Internetu. Opiera się to na propagacji fal elektromagnetycznych, których teorię opracował w połowie XIX wieku James Clerk Maxwell. Fale elektromagnetyczne są nośnikiem użytecznych sygnałów, a w teorii transmisji sygnału fundamentalną rolę odgrywa twierdzenie rosyjskiego naukowca i inżyniera, akademika Władimira Aleksandrowicza Kotelnikowa.
Wszedł do nauki pod nazwą twierdzenia Kotelnikowa.
Władimir AleksandrowiczKotelnikow
Przyszły akademik urodził się w 1908 roku w rodzinie nauczycieli Uniwersytetu Kazańskiego. Studiował na MVTU im. Bauman uczęszczał na interesujące go wykłady na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym. W 1930 r. wydział elektrotechniki, na którym studiował Kotelnikov, został przekształcony w Moskiewski Instytut Energetyki, a Kotelnikov go ukończył. Po studiach pracował w różnych uczelniach i laboratoriach. W czasie wojny kierował laboratorium zamkniętego instytutu badawczego w Ufie, gdzie zajmował się zagadnieniami bezpiecznych kanałów komunikacji i kodowania wiadomości.
W przybliżeniu takie wydarzenia wspomina Sołżenicyn w swojej powieści „W pierwszym kręgu”.
Przez około czterdzieści lat kierował Katedrą "Podstaw Radiotechniki" i był Dziekanem Wydziału Radiotechniki. Później został dyrektorem Instytutu Inżynierii Radiowej i Elektroniki Akademii Nauk ZSRR.
Wszyscy studenci odpowiednich specjalności nadal studiują zgodnie z podręcznikiem Kotelnikova „Teoretyczne podstawy inżynierii radiowej”.
Kotelnikow zajmował się również problematyką radioastronomii, radiofizycznych badań oceanów i badań kosmicznych.
Nie miał czasu na opublikowanie swojej ostatniej pracy „Model Quantum Mechanics”, napisanej już w wieku prawie 97 lat. Wyszedł dopiero w 2008 roku
V. A. Kotelnikov zmarł w wieku 97 lat 11 lutego 2005 r. Dwukrotnie był bohaterem socjalistycznej pracy, otrzymał wiele nagród rządowych. Jedna z mniejszych planet nosi jego imię.
Twierdzenie Kotelnikowa
Rozwój systemów komunikacyjnychrodzi wiele pytań teoretycznych. Na przykład sygnały w jakim zakresie częstotliwości mogą być przesyłane kanałami komunikacyjnymi, o różnej strukturze fizycznej, z różnym pasmem, aby nie utracić informacji podczas odbioru.
W 1933 Kotelnikow udowodnił swoje twierdzenie, które jest inaczej nazywane twierdzeniem o próbkowaniu.
Sformułowanie twierdzenia Kotelnikowa:
Jeśli sygnał analogowy ma skończone (o ograniczonej szerokości) widmo, można go zrekonstruować w sposób jednoznaczny i bez strat z jego dyskretnych próbek pobranych z częstotliwością ściśle większą niż dwukrotność częstotliwości górnej.
Opisuje idealny przypadek, gdy czas trwania sygnału jest nieskończony. Nie ma przerw, ale ma ograniczone spektrum (według twierdzenia Kotelnikowa). Jednak model matematyczny opisujący sygnały o ograniczonym widmie dobrze nadaje się w praktyce do rzeczywistych sygnałów.
Na podstawie twierdzenia Kotelnikowa można zaimplementować metodę dyskretnej transmisji sygnałów ciągłych.
Fizyczne znaczenie twierdzenia
Twierdzenie Kotelnikowa można wyjaśnić w prosty sposób w następujący sposób. Jeśli potrzebujesz przesłać określony sygnał, nie jest konieczne przesyłanie go w całości. Możesz przekazywać jego natychmiastowe impulsy. Częstotliwość transmisji tych impulsów nazywana jest częstotliwością próbkowania w twierdzeniu Kotelnikowa. Powinna być dwukrotnie wyższa od górnej częstotliwości widma sygnału. W takim przypadku po stronie odbiorczej sygnał jest przywracany bez zniekształceń.
Twierdzenie Kotelnikowa wyciąga bardzo ważne wnioski dotyczące dyskretyzacji. Dla różnych typów sygnałów obowiązują różne częstotliwości próbkowania. Dla wiadomości głosowej (telefonicznej) o szerokości kanału 3,4 kHz - 6,8 kHz, a dla sygnału telewizyjnego - 16 MHz.
W teorii komunikacji istnieje kilka rodzajów kanałów komunikacji. Na poziomie fizycznym - kanały przewodowe, akustyczne, optyczne, podczerwone i radiowe. I chociaż twierdzenie zostało opracowane dla idealnego kanału komunikacji, ma zastosowanie do wszystkich innych typów kanałów.
Telekomunikacja wielokanałowa
Twierdzenie Kotelnikowa leży u podstaw telekomunikacji wielokanałowej. Podczas próbkowania i przesyłania impulsów okres między impulsami jest znacznie dłuższy niż czas ich trwania. Oznacza to, że w odstępach impulsów jednego sygnału (tzw. duty cycle) możliwe jest przesyłanie impulsów innego sygnału. Wdrożono systemy dla 12, 15, 30, 120, 180, 1920 kanałów głosowych. Oznacza to, że jedną parą przewodów można transmitować jednocześnie około 2000 rozmów telefonicznych.
Na podstawie twierdzenia Kotelnikowa, w prostych słowach, powstały prawie wszystkie nowoczesne systemy komunikacji.
Harry Nyquist
Jak to czasami bywa w nauce, naukowcy zajmujący się podobnymi problemami dochodzą niemal jednocześnie do tych samych wniosków. To całkiem naturalne. Do tej pory nie ustały spory o to, kto odkrył prawo zachowania - Łomonosow czy Lavoisier, który wynalazł lampę żarową - Yablochkin czy Edison, który wynalazł radio - Popov czy Marconi. Ta lista jest nieskończona.
Tak,Amerykański fizyk szwedzkiego pochodzenia Harry Nyquist w 1927 r. w czasopiśmie „Certain Problems of Telegraph Transmission” opublikował swoje badania z wnioskami podobnymi do Kotelnikowa. Jego twierdzenie jest czasami nazywane twierdzeniem Kotelnikova-Nyquista.
Harry Nyquist urodził się w 1907 roku, doktoryzował się na Uniwersytecie Yale i pracował w Bell Labs. Tam studiował problemy szumów termicznych we wzmacniaczach, brał udział w opracowaniu pierwszego fototelegrafu. Jego prace stały się podstawą dalszego rozwoju Claude Shannon. Nyquist zmarł w 1976 roku
Claude Shannon
Claude Shannon jest czasami nazywany ojcem ery informacji – tak wielki jest jego wkład w teorię komunikacji i informatykę. Claude Shannon urodził się w 1916 roku w USA. Pracował w Bell Lab i na wielu amerykańskich uniwersytetach. W czasie wojny współpracował z Alanem Turingiem przy rozszyfrowywaniu kodów niemieckich okrętów podwodnych.
W 1948 roku w artykule „Matematyczna teoria komunikacji” zaproponował termin bit jako oznaczenie minimalnej jednostki informacji. W 1949 udowodnił (niezależnie od Kotelnikowa) twierdzenie poświęcone rekonstrukcji sygnału z jego dyskretnych próbek. Czasami nazywa się to twierdzeniem Kotelnikova-Shannona. To prawda, że na Zachodzie bardziej akceptowana jest nazwa twierdzenia Nyquista-Shannona.
Shannon wprowadził pojęcie entropii do teorii komunikacji. Studiowałem kody. Dzięki jego pracy kryptografia stała się pełnoprawną nauką.
Kotelnikow i kryptografia
Kotelnikov zajmował się również problemami kodów ikryptografia. Niestety w czasach ZSRR wszystko związane z kodami i szyframi było ściśle tajne. A otwarte publikacje wielu dzieł Kotelnikowa nie mogły być. Pracował jednak nad stworzeniem zamkniętych kanałów komunikacji, których kody wróg nie mógł złamać.
18 czerwca 1941, prawie przed wojną, został napisany artykuł Kotelnikova "Podstawy automatycznego szyfrowania", opublikowany w zbiorze 2006 "Kryptografia kwantowa i twierdzenie Kotelnikova o jednorazowych kluczach i odczytach".
Odporność na hałas
Przy pomocy pracy Kotelnikova opracowano teorię potencjalnej odporności na zakłócenia, która określa maksymalną ilość zakłóceń, które mogą występować w kanale komunikacyjnym, aby nie doszło do utraty informacji. Rozważany jest wariant idealnego odbiornika, który jest daleki od rzeczywistego. Ale sposoby na poprawę kanału komunikacji są jasno określone.
Eksploracja kosmosu
Zespół kierowany przez Kotelnikova wniósł wielki wkład w systemy komunikacji kosmicznej, automatyzacji i telemetrii. Siergiej Pawłowicz Korolew zaangażował laboratorium Kotelnikowa w rozwiązywanie problemów przemysłu kosmicznego.
Zbudowano dziesiątki punktów kontrolno-pomiarowych, połączonych w jeden kompleks kontrolno-pomiarowy.
Opracowano sprzęt radarowy dla międzyplanetarnych stacji kosmicznych, mapowanie przeprowadzono w nieprzejrzystej atmosferze planety Wenus. Za pomocą urządzeń opracowanych pod kierunkiem Kotelnikowa przeprowadzono stacje kosmiczne „Venera” i „Magellan”obszary radarowe planety w określonych sektorach. Dzięki temu wiemy, co kryje się na Wenus za gęstymi chmurami. Zbadano również Marsa, Jowisza, Merkurego.
Odkrycia Kotelnikowa znalazły zastosowanie w stacjach orbitalnych i nowoczesnych radioteleskopach.
W 1998 roku V. A. Kotelnikov otrzymał Nagrodę von Karmana. To nagroda Międzynarodowej Akademii Astronautyki, która jest przyznawana osobom z kreatywnym myśleniem za znaczący wkład w badania kosmosu.
Wyszukaj sygnały radiowe z pozaziemskich cywilizacji
Międzynarodowy program poszukiwania sygnałów radiowych pozaziemskich cywilizacji Seti za pomocą największych radioteleskopów został uruchomiony w latach 90-tych. To Kotelnikov uzasadnił potrzebę wykorzystania do tego celu odbiorników wielokanałowych. Nowoczesne odbiorniki słuchają jednocześnie milionów kanałów radiowych, pokrywając cały możliwy zakres.
Ponadto, pod jego kierownictwem, przeprowadzono prace, które określają kryteria rozsądnego sygnału wąskopasmowego w ogólnym szumie i zakłóceniach.
Niestety, jak dotąd wyszukiwanie to nie powiodło się. Ale w skali historii są one prowadzone przez bardzo krótki czas.
Twierdzenie Kotelnikowa odnosi się do fundamentalnych odkryć w nauce. Można go bezpiecznie postawić na równi z twierdzeniami Pitagorasa, Eulera, Gaussa, Lorentza itp.
W każdym obszarze, w którym konieczne jest nadawanie lub odbieranie jakichkolwiek sygnałów elektromagnetycznych, świadomie lub nieświadomie używamy twierdzenia Kotelnikowa. Rozmawiamy przez telefon, oglądamy telewizjęsłuchaj radia, korzystaj z Internetu. Wszystko to w zasadzie zawiera zasadę próbkowania sygnałów.
