La sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului XX, comunicațiile telefonice și radio s-au dezvoltat rapid. În 1882, la Sankt Petersburg a fost lansat primul central telefonic din Rusia. Acest post a avut 259 de abonați. Și la Moscova, cam în același timp, erau 200 de abonați.
În 1896, Alexander Popov a transmis primul semnal radio pe o distanță de 250 de metri, constând din doar două cuvinte: „Heinrich Hertz”.
Dezvoltarea comunicațiilor a fost în fruntea progresului tehnologic. A trecut puțin mai mult de un secol de atunci și, datorită muncii oamenilor de știință și inginerilor din această industrie, vedem cum s-a schimbat lumea.
Nu ne putem imagina viața fără telefoane, comunicații radio, televiziune și internet. Aceasta se bazează pe propagarea undelor electromagnetice, a căror teorie a fost dezvoltată de James Clerk Maxwell la mijlocul secolului al XIX-lea. Undele electromagnetice sunt purtătoarea de semnale utile, iar în teoria transmisiei semnalului, teorema savantului și inginerului rus, academicianul Vladimir Alexandrovich Kotelnikov joacă un rol fundamental.
A intrat în știință sub numele de teorema lui Kotelnikov.
Vladimir AleksandroviciKotelnikov
Viitorul academician s-a născut în 1908 într-o familie de profesori de la Universitatea Kazan. A studiat la MVTU im. Bauman, a participat la cursuri de interes pentru el la Universitatea de Stat din Moscova. În 1930, facultatea de inginerie electrică, unde a studiat Kotelnikov, a fost transformată în Institutul de Inginerie Energetică din Moscova, iar Kotelnikov a absolvit-o. După absolvire, a lucrat în diverse universități și laboratoare. În timpul războiului, a condus laboratorul unui institut de cercetare închis din Ufa, unde s-a ocupat de problemele canalelor de comunicații securizate și codificarea mesajelor.
Aproximativ astfel de evoluții sunt menționate de Soljenițîn în romanul său „În primul cerc”.
De aproximativ patruzeci de ani a fost la conducerea Departamentului de „Fundamentele Ingineriei Radio”, și a fost decanul Facultății de Inginerie Radio. Mai târziu a devenit director al Institutului de Inginerie Radio și Electronică al Academiei de Științe a URSS.
Toți studenții specialităților relevante încă studiază conform manualului lui Kotelnikov „Fundațiile teoretice ale ingineriei radio”.
Kotelnikov s-a ocupat, de asemenea, de problemele radioastronomiei, cercetării radiofizice ale oceanelor și cercetării spațiale.
Nu a avut timp să publice ultima sa lucrare „Model Quantum Mechanics”, scrisă deja la vârsta de aproape 97 de ani. A apărut abia în 2008
V. A. Kotelnikov a murit la vârsta de 97 de ani la 11 februarie 2005. A fost de două ori un erou al muncii socialiste, a primit multe premii guvernamentale. Una dintre planetele minore poartă numele lui.
Teorema lui Kotelnikov
Dezvoltarea sistemelor de comunicațiiridică multe întrebări teoretice. De exemplu, semnalele din ce interval de frecvență pot fi transmise pe canale de comunicație, cu structură fizică diferită, cu lățime de bandă diferită, pentru a nu pierde informații în timpul recepției.
În 1933, Kotelnikov și-a demonstrat teorema, care altfel este numită teorema de eșantionare.
Formularea teoremei lui Kotelnikov:
Dacă un semnal analogic are un spectru finit (limitat în lățime), atunci acesta poate fi reconstruit fără ambiguitate și fără pierderi din eșantioanele sale discrete prelevate la o frecvență strict mai mare decât de două ori frecvența superioară.
Descrie cazul ideal când durata semnalului este infinită. Nu are întreruperi, dar are un spectru limitat (după teorema lui Kotelnikov). Cu toate acestea, modelul matematic care descrie semnale cu spectru limitat este bine aplicabil în practică semnalelor reale.
Pe baza teoremei Kotelnikov, poate fi implementată o metodă de transmisie discretă a semnalelor continue.
Semnificația fizică a teoremei
Teorema lui Kotelnikov poate fi explicată în termeni simpli după cum urmează. Dacă trebuie să transmiteți un anumit semnal, atunci nu este necesar să îl transmiteți în întregime. Îi poți transmite impulsurile instantanee. Frecvența de transmisie a acestor impulsuri se numește frecvența de eșantionare în teorema Kotelnikov. Ar trebui să fie de două ori mai mare decât frecvența superioară a spectrului de semnal. În acest caz, la capătul de recepție, semnalul este restabilit fără distorsiuni.
Teorema lui Kotelnikov trage concluzii foarte importante despre discretizare. Există rate de eșantionare diferite pentru diferite tipuri de semnale. Pentru un mesaj vocal (telefonic) cu o lățime a canalului de 3,4 kHz - 6,8 kHz și pentru un semnal de televiziune - 16 MHz.
În teoria comunicării, există mai multe tipuri de canale de comunicare. La nivel fizic - canale cu fir, acustice, optice, infraroșu și radio. Și, deși teorema a fost dezvoltată pentru un canal de comunicare ideal, este aplicabilă tuturor celorl alte tipuri de canale.
Telecomunicații multicanal
Teorema lui Kotelnikov stă la baza telecomunicațiilor multicanal. La eșantionarea și transmiterea impulsurilor, perioada dintre impulsuri este mult mai mare decât durata acestora. Aceasta înseamnă că în intervalele de impulsuri ale unui semnal (acesta se numește duty cycle), este posibil să se transmită impulsuri ale altui semnal. Au fost implementate sisteme pentru 12, 15, 30, 120, 180, 1920 canale de voce. Adică, aproximativ 2000 de conversații telefonice pot fi transmise simultan printr-o pereche de fire.
Pe baza teoremei Kotelnikov, în cuvinte simple, au apărut aproape toate sistemele moderne de comunicații.
Harry Nyquist
Așa cum se întâmplă uneori în știință, oamenii de știință care se ocupă de probleme similare ajung aproape simultan la aceleași concluzii. Acest lucru este destul de natural. Până acum, disputele nu s-au potolit despre cine a descoperit legea conservării - Lomonosov sau Lavoisier, care a inventat lampa cu incandescență - Yablochkin sau Edison, care a inventat radioul - Popov sau Marconi. Această listă este nesfârșită.
Da,Fizicianul american de origine suedeză Harry Nyquist, în 1927, în revista „Certain Problems of Telegraph Transmission” și-a publicat cercetările cu concluzii similare cu cele ale lui Kotelnikov. Teorema lui este uneori numită teorema Kotelnikov-Nyquist.
Harry Nyquist s-a născut în 1907, și-a făcut doctoratul la Universitatea Yale și a lucrat la Bell Labs. Acolo a studiat problemele zgomotului termic în amplificatoare, a participat la dezvoltarea primului fototelegraf. Lucrările sale au servit drept bază pentru dezvoltarea ulterioară a lui Claude Shannon. Nyquist a murit în 1976
Claude Shannon
Claude Shannon este uneori numit părintele erei informației - atât de mare este contribuția sa la teoria comunicării și informatică. Claude Shannon s-a născut în 1916 în SUA. A lucrat la Bell Lab și la o serie de universități americane. În timpul războiului, a lucrat cu Alan Turing pentru a descifra codurile submarinelor germane.
În 1948, în articolul „Teoria matematică a comunicării”, a propus termenul de bit ca desemnare a unității minime de informație. În 1949, el a demonstrat (independent de Kotelnikov) o teoremă dedicată reconstrucției unui semnal din eșantioanele sale discrete. Uneori este numită teorema Kotelnikov-Shannon. Adevărat, în Occident numele teoremei Nyquist-Shannon este mai acceptat.
Shannon a introdus conceptul de entropie în teoria comunicării. Am studiat codurile. Datorită muncii sale, criptografia a devenit o știință cu drepturi depline.
Kotelnikov și criptografia
Kotelnikov s-a ocupat și de problemele codurilor șicriptografie. Din păcate, pe vremea URSS, tot ce era legat de coduri și cifruri era strict clasificat. Și publicațiile deschise ale multor lucrări ale lui Kotelnikov nu puteau fi. Cu toate acestea, a lucrat pentru a crea canale închise de comunicare, ale căror coduri inamicul nu le putea sparge.
Pe 18 iunie 1941, aproape înainte de război, a fost scris articolul lui Kotelnikov „Bazele criptării automate”, publicat în colecția din 2006 „Criptografia cuantică și teorema lui Kotelnikov privind cheile și citirile unice”.
Imunitate la zgomot
Cu ajutorul lucrării lui Kotelnikov, a fost dezvoltată o teorie a potențialului imunitate la zgomot, care determină cantitatea maximă de interferență care poate fi într-un canal de comunicare, astfel încât informațiile să nu se piardă. Se are în vedere o variantă a unui receptor ideal, care este departe de cel real. Dar modalitățile de îmbunătățire a canalului de comunicare sunt clar definite.
Explorarea spațiului
Echipa condusă de Kotelnikov a adus o mare contribuție la sistemele de comunicații spațiale, automatizare și telemetrie. Serghei Pavlovici Korolev a implicat laboratorul Kotelnikov în rezolvarea problemelor industriei spațiale.
Au fost construite zeci de puncte de control și măsurare, legate într-un singur complex de control și măsurare.
S-au dezvoltat echipamente radar pentru stațiile spațiale interplanetare, cartografierea s-a efectuat în atmosfera opacă a planetei Venus. Cu ajutorul dispozitivelor dezvoltate sub conducerea lui Kotelnikov, stațiile spațiale „Venera” și „Magellan” au efectuatzone radar ale planetei în sectoare predeterminate. Drept urmare, știm ce se ascunde pe Venus în spatele norilor denși. Marte, Jupiter, Mercur au fost, de asemenea, explorate.
Dezvoltările lui Kotelnikov au găsit aplicație în stațiile orbitale și radiotelescoapele moderne.
În 1998, V. A. Kotelnikov a primit premiul von Karman. Acesta este un premiu de la Academia Internațională de Astronautică, care este acordat persoanelor cu gândire creativă pentru o contribuție semnificativă la cercetarea spațială.
Căutați semnale radio de la civilizații extraterestre
Programul internațional de căutare a semnalelor radio ale civilizațiilor extraterestre Seti folosind cele mai mari radiotelescoape a fost lansat în anii 90. Kotelnikov a fost cel care a justificat necesitatea de a utiliza receptoare multicanal în acest scop. Receptoarele moderne ascultă milioane de canale radio simultan, acoperind întreaga gamă posibilă.
De asemenea, sub conducerea sa, au fost efectuate lucrări care definesc criteriile pentru un semnal rezonabil de bandă îngustă în zgomot și interferențe generale.
Din păcate, până acum această căutare nu a avut succes. Dar, la scara istoriei, acestea se desfășoară pentru o perioadă foarte scurtă de timp.
Teorema lui Kotelnikov se referă la descoperiri fundamentale în știință. Poate fi pus în siguranță la egalitate cu teoremele lui Pitagora, Euler, Gauss, Lorentz etc.
În fiecare zonă în care este necesar să transmitem sau să primim semnale electromagnetice, folosim conștient sau inconștient teorema Kotelnikov. Vorbim la telefon, ne uităm la televizorascultă radioul, folosește internetul. Toate acestea conțin practic principiul eșantionării semnalelor.
