Koniec XIX i początek XX wiekuszybko rozwijała się telefonia i łączność radiowa. W 1882 roku w Petersburgu uruchomiono pierwszą centralę telefoniczną w Rosji. Stacja ta miała 259 abonentów. A w Moskwie mniej więcej w tym samym czasie było 200 subskrybentów.
W 1896 r. Aleksander Popow nadał pierwszy sygnał radiowy na odległość 250 metrów, który składał się tylko z dwóch słów: „Heinrich Hertz”.
Rozwój komunikacji znajduje się w czołówce postępu technicznego. Od tego czasu minęło nieco ponad wiek, a dzięki pracy naukowców i inżynierów z tej branży widzimy, jak zmienił się świat.
Nie wyobrażamy sobie życia bez telefonu,telekomunikacja, telewizja i Internet. 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 sygnałów fundamentalne znaczenie ma twierdzenie rosyjskiego naukowca i inżyniera, akademika Władimira Aleksandrowicza Kotelnikowa.
Wszedł do nauki pod nazwą twierdzenia Kotelnikowa.
Władimir Aleksandrowicz Kotelnikow
Przyszły akademik urodził się w 1908 roku.w rodzinie nauczycieli Uniwersytetu Kazańskiego. Studiował w MVTU im. Bauman uczęszczał na interesujące go wykłady na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym. W 1930 roku 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, kodowania wiadomości.
W przybliżeniu takie wydarzenia wspomina Sołżenicyn w swojej powieści W pierwszym kręgu.
Przez około czterdzieści lat kierował katedrą „Podstawy radiotechniki” i był dziekanem wydziału radiotechnicznego. Później został dyrektorem Instytutu Radiotechniki i Elektroniki Akademii Nauk ZSRR.
Wszyscy studenci odpowiednich specjalności nadal studiują zgodnie z podręcznikiem Kotelnikova „Teoretyczne podstawy inżynierii radiowej”.
Kotelnikov zajmował się także problematyką radioastronomii, radiofizycznych badań oceanów i badań kosmosu.
Nie zdążył opublikować swojej ostatniej pracy „Model Quantum Mechanics”, napisanej już w wieku prawie 97 lat. Wyszedł dopiero w 2008 roku.
V. A. Kotelnikov zmarł w 97. roku życia 11 lutego 2005 r. Dwukrotnie jest bohaterem socjalistycznej pracy i otrzymał wiele nagród rządowych. Jedna z mniejszych planet została nazwana na jego cześć.
Twierdzenie Kotelnikowa
Rozwój systemów komunikacyjnych sprawił, że wielepytania teoretyczne. Na przykład sygnały, których zakres częstotliwości może być przesyłany kanałami komunikacyjnymi, o różnej strukturze fizycznej, z różnym pasmem, aby nie utracić informacji podczas odbioru.
W 1933 Kotelnikov udowodnił swoje twierdzenie, które jest również nazywane twierdzeniem o próbkowaniu.
Sformułowanie twierdzenia Kotelnikowa:
Jeśli sygnał analogowy ma skończony(o ograniczonej szerokości) widma, to można je zrekonstruować w sposób jednoznaczny i bez strat z jego dyskretnych próbek pobranych z częstotliwością ściśle większą niż dwukrotność górnej częstotliwości.
Opisuje idealny przypadek, gdy czasczas trwania sygnału jest nieskończony. Nie ma przerw, ale ma ograniczone spektrum (według twierdzenia Kotelnikowa). Jednak model matematyczny opisujący sygnały o ograniczonym widmie w praktyce dobrze nadaje się do rzeczywistych sygnałów.
W oparciu o twierdzenie Kotelnikowa można zaimplementować metodę dyskretnej transmisji sygnałów ciągłych.
Fizyczne znaczenie twierdzenia
Twierdzenie Kotelnikowa w prostych słowach może byćwyjaśnij w następujący sposób. Jeśli sygnał musi być przesłany, nie jest konieczne przesyłanie go w całości. Jego natychmiastowe impulsy mogą być przesyłane. Częstotliwość, z jaką te impulsy są przesyłane, nazywana jest częstotliwością próbkowania w twierdzeniu Kotelnikova. Powinna być dwukrotnie wyższa od górnej częstotliwości widma sygnału. W tym przypadku po stronie odbiorczej sygnał jest rekonstruowany bez zniekształceń.
Jeśli chodzi o dyskretyzację, twierdzenie Kotelnikowa czyni bardzoważne ustalenia. Dla różnych typów sygnałów obowiązują różne częstotliwości próbkowania. Do komunikacji głosowej (telefonicznej) o szerokości kanału 3,4 kHz - 6,8 kHz, a do sygnału telewizyjnego - 16 MHz.
W teorii komunikacji istnieje kilka rodzajów kanałówKomunikacja. 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 podstawtelekomunikacja wielokanałowa. 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) mogą być przesyłane impulsy innego sygnału. Zaimplementowano systemy dla 12, 15, 30, 120, 180, 1920 kanałów mowy. Oznacza to, że jedna para przewodów może jednocześnie transmitować około 2000 rozmów telefonicznych.
Na podstawie twierdzenia Kotelnikowa, w prostych słowach, powstały prawie wszystkie nowoczesne systemy komunikacji.
Harry'ego Nyquista
Jak to czasami bywa w nauce, naukowcy,osoby zajmujące się podobnymi problemami dochodzą niemal równocześnie do tych samych wniosków. To całkiem naturalne. Do tej pory spory nie ustępują, kto odkrył prawo konserwatorskie - Łomonosow lub Lavoisier, który wynalazł lampę żarową - Yablochkin lub Edison, który wynalazł radio - Popov lub Marconi. Lista jest długa.
A więc amerykański fizyk szwedzkiego pochodzeniaHarry Nyquist w 1927 r. w czasopiśmie „Certain Problems of Telegraphic Transmission” opublikował swoje badania z wnioskami podobnymi do wniosków Kotelnikowa. Jego twierdzenie jest czasami nazywane twierdzeniem Kotelnikova-Nyquista.
Harry Nyquist urodził się w 1907 roku w obroniejego praca dyplomowa na Uniwersytecie Yale, pracowała w laboratorium Bella. Zajmował się tam problematyką szumu cieplnego we wzmacniaczach, brał udział w opracowaniu pierwszego fototelegrafu. Jego prace stały się podstawą dalszego rozwoju Claude'a Shannona. Nyquist zmarł w 1976 roku.
Claude Shannon
Claude Shannon jest czasami nazywany ojcemwiek informacyjny - tak wielki jest jego wkład w teorię komunikacji i informatykę. Claude Shannon urodził się w 1916 roku w Stanach Zjednoczonych. Pracował w laboratorium Bella i wielu amerykańskich uniwersytetach. W czasie wojny wraz z Alanem Turingiem zajmował się odczytywaniem kodów niemieckich okrętów podwodnych.
W 1948r.w artykule „Matematyczna teoria komunikacji” zaproponował termin bit jako oznaczenie minimalnej jednostki informacji. Udowodnił twierdzenie o odzyskiwaniu sygnału z odczytów dyskretnych (niezależnie od Kotelnikowa) w 1949 roku. Czasami nazywa się to twierdzeniem Kotelnikova-Shannona. To prawda, że na Zachodzie bardziej akceptowane jest twierdzenie Nyquista-Shannona.
Shannon wprowadził pojęcie entropii do teorii komunikacji. Przestudiowane kody. Dzięki jego pracy kryptografia stała się pełnoprawną nauką.
Kotelnikov i kryptografia
Kotelnikov zajmował się również problemami kodów ikryptografia. Niestety w czasach ZSRR wszystko związane z kodami i szyframi było ściśle tajne. I nie mogło być otwartych publikacji wielu dzieł Kotelnikowa. Pracował jednak nad stworzeniem zamkniętych kanałów komunikacyjnych, których kody wróg nie mógł złamać.
18 czerwca 1941, prawie przedwojny, napisano artykuł Kotelnikova „Podstawowe zasady automatycznego szyfrowania”, opublikowany w zbiorze 2006 „Kryptografia kwantowa i twierdzenie Kotelnikova o kluczach jednorazowych i zliczeniach”.
Odporność
Z pomocą pracy Kotelnikowateoria potencjalnej odporności na zakłócenia, która określa, jaka maksymalna ilość zakłóceń może być w kanale komunikacyjnym, aby informacje nie zostały utracone. Rozważany jest wariant idealnego odbiornika, który jest daleki od rzeczywistości. Ale sposoby na poprawę kanału komunikacji są jasno określone.
Eksploracja kosmosu
Przedstawiono zespół kierowany przez Kotelnikovawielki wkład w systemy komunikacji kosmicznej, automatykę i telemetrię. Sergey Pavlovich Korolev zaangażował laboratorium Kotelnikova w rozwiązywanie problemów przemysłu kosmicznego.
Zbudowano dziesiątki punktów kontrolno-pomiarowych, połączonych w jeden kompleks kontrolno-pomiarowy.
Sprzęt radarowy został opracowany dlamiędzyplanetarne stacje kosmiczne, mapowanie przeprowadzono w nieprzejrzystej atmosferze planety Wenus. Za pomocą urządzeń opracowanych pod kierownictwem Kotelnikowa stacje kosmiczne Venera i Magellan zostały wykorzystane do radarowania obszarów planety w określonych sektorach. Dzięki temu wiemy, co kryje się za gęstymi chmurami na Wenus. Prowadzono także badania na Marsie, Jowiszu, Merkurym.
Odkrycia Kotelnikowa znalazły zastosowanie w stacjach orbitalnych i nowoczesnych radioteleskopach.
W 1998 roku V.A.Kotelnikov otrzymał Nagrodę von Karmana. Jest to nagroda Międzynarodowej Akademii Astronautyki przyznawana osobom o kreatywnych umysłach za ich znaczący wkład w eksplorację kosmosu.
Poszukiwanie sygnałów radiowych cywilizacji pozaziemskich
Międzynarodowy program wyszukiwania radiowegopozaziemskie cywilizacje Seti za pomocą największych radioteleskopów został wystrzelony w latach 90-tych. To właśnie Kotelnikov uzasadnił potrzebę wykorzystania do tego celu odbiorników wielokanałowych. Nowoczesne odbiorniki słuchają jednocześnie milionów kanałów radiowych, pokrywając cały możliwy zasięg.
Pod jego kierownictwem prowadzono również prace określające kryteria rozsądnego sygnału wąskopasmowego w całkowitym szumie i zakłóceniach.
Niestety, jak dotąd poszukiwania te nie zakończyły się sukcesem. Ale w skali historii są prowadzone bardzo krótko.
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 musisz się przenieść lubaby otrzymać jakiekolwiek sygnały elektromagnetyczne, świadomie lub nieświadomie posługujemy się twierdzeniem Kotelnikowa. Rozmawiamy przez telefon, oglądamy telewizję, słuchamy radia, korzystamy z internetu. Wszystko to w zasadzie zawiera zasadę próbkowania sygnału.
