I slutet av artonhundratalet och början av 1900-talet utvecklades telefon- och radiokommunikationerna snabbt. 1882 lanserades den första telefonväxeln i Ryssland i St. Petersburg. Denna station hade 259 abonnenter. Och i Moskva var det ungefär samtidigt 200 prenumeranter.
År 1896 sände Alexander Popov den första radiosignalen över en sträcka av 250 meter, bestående av endast två ord: "Heinrich Hertz".
Utvecklingen av kommunikation har legat i framkant av tekniska framsteg. Lite mer än ett sekel har gått sedan dess, och tack vare arbetet från forskare och ingenjörer inom denna industri ser vi hur världen har förändrats.
Vi kan inte föreställa oss våra liv utan telefoner, radiokommunikation, tv och internet. Detta är baserat på utbredningen av elektromagnetiska vågor, vars teori utvecklades av James Clerk Maxwell i mitten av artonhundratalet. Elektromagnetiska vågor är bärare av användbara signaler, och i teorin om signalöverföring spelar den ryske vetenskapsmannen och ingenjörens, akademikern Vladimir Alexandrovich Kotelnikovs sats en grundläggande roll.
Det kom in i vetenskapen under namnet Kotelnikovs teorem.
Vladimir AleksandrovichKotelnikov
Den framtida akademikern föddes 1908 i en familj av lärare vid Kazan University. Har studerat vid MVTU im. Bauman, deltog i föreläsningar av intresse för honom vid Moscow State University. 1930 omvandlades den elektriska tekniska fakulteten, där Kotelnikov studerade, till Moscow Power Engineering Institute, och Kotelnikov tog examen från det. Efter examen arbetade han på olika universitet och laboratorier. Under kriget ledde han laboratoriet vid ett stängt forskningsinstitut i Ufa, där han hanterade frågor om säkra kommunikationskanaler och meddelandekodning.
Ungefär sådan utveckling nämns av Solsjenitsyn i sin roman "I den första cirkeln".
I ungefär fyrtio år var han ansvarig för institutionen för "Fundamentals of Radio Engineering", och var dekanus för fakulteten för radioteknik. Senare blev han chef för Institutet för radioteknik och elektronik vid USSR Academy of Sciences.
Alla studenter i de relevanta specialiteterna studerar fortfarande enligt Kotelnikovs lärobok "Theoretical Foundations of Radio Engineering".
Kotelnikov behandlade också problemen med radioastronomi, radiofysisk forskning om haven och rymdforskning.
Han hann inte publicera sitt sista verk "Model Quantum Mechanics", skrivet redan vid nästan 97 års ålder. Den kom ut först 2008
V. A. Kotelnikov dog vid 97 års ålder den 11 februari 2005. Han var två gånger en hjälte av socialistiskt arbete, tilldelades många statliga utmärkelser. En av de mindre planeterna är uppkallad efter honom.
Kotelnikovs teorem
Utveckling av kommunikationssystemväcker många teoretiska frågor. Till exempel signaler om vilket frekvensområde som kan sändas över kommunikationskanaler, av olika fysisk struktur, med olika bandbredd, för att inte förlora information under mottagning.
År 1933 bevisade Kotelnikov sin sats, som annars kallas samplingssatsen.
Formulering av Kotelnikovs teorem:
Om en analog signal har ett ändligt (begränsat i bredd) spektrum, kan den rekonstrueras entydigt och utan förlust från dess diskreta sampel tagna med en frekvens som är strikt större än två gånger den övre frekvensen.
Beskriver det idealiska fallet när signalens varaktighetstid är oändlig. Den har inga avbrott, men den har ett begränsat spektrum (enligt Kotelnikovs teorem). Den matematiska modellen som beskriver signaler med begränsat spektrum är dock väl tillämpbar i praktiken på verkliga signaler.
Baserat på Kotelnikov-satsen kan en metod för diskret överföring av kontinuerliga signaler implementeras.
satsens fysiska betydelse
Kotelnikovs teorem kan förklaras i enkla termer enligt följande. Om du behöver sända en viss signal är det inte nödvändigt att sända den i sin helhet. Du kan överföra dess momentana impulser. Sändningsfrekvensen för dessa pulser kallas samplingsfrekvensen i Kotelnikovs sats. Det bör vara dubbelt så högt som signalspektrumets övre frekvens. I det här fallet återställs signalen vid mottagningssidan utan distorsion.
Kotelnikovs teorem drar mycket viktiga slutsatser om diskretisering. Det finns olika samplingshastigheter för olika typer av signaler. För ett röstmeddelande (telefon) med en kanalbredd på 3,4 kHz - 6,8 kHz, och för en tv-signal - 16 MHz.
Inom kommunikationsteorin finns det flera typer av kommunikationskanaler. På den fysiska nivån - trådbundna, akustiska, optiska, infraröda och radiokanaler. Och även om satsen utvecklades för en idealisk kommunikationskanal, är den tillämpbar på alla andra typer av kanaler.
Flerkanaligt telekommunikation
Kotelnikovs teorem ligger till grund för flerkanals telekommunikation. Vid sampling och sändning av pulser är perioden mellan pulserna mycket längre än deras varaktighet. Detta innebär att i intervallen av pulser för en signal (detta kallas arbetscykel), är det möjligt att sända pulser av en annan signal. System för 12, 15, 30, 120, 180, 1920 röstkanaler implementerades. Det vill säga att cirka 2000 telefonsamtal kan överföras samtidigt över ett par ledningar.
Baserat på Kotelnikov-satsen, med enkla ord, uppstod nästan alla moderna kommunikationssystem.
Harry Nyquist
Som ibland är fallet inom vetenskapen, kommer forskare som hanterar liknande problem nästan samtidigt till samma slutsatser. Detta är ganska naturligt. Fram till nu har tvister inte avtagit om vem som upptäckte bevarandelagen - Lomonosov eller Lavoisier, vem som uppfann glödlampan - Yablochkin eller Edison, vem som uppfann radion - Popov eller Marconi. Den här listan är oändlig.
Ja,Den amerikanske fysikern med svenskt ursprung Harry Nyquist publicerade 1927 i tidskriften "Certain Problems of Telegraph Transmission" sin forskning med slutsatser liknande Kotelnikovs. Hans sats kallas ibland Kotelnikov-Nyquists sats.
Harry Nyquist föddes 1907, doktorerade vid Yale University och arbetade på Bell Labs. Där studerade han problemen med termiskt brus i förstärkare, deltog i utvecklingen av den första fototelegrafen. Hans verk fungerade som grunden för Claude Shannons vidareutveckling. Nyquist gick bort 1976
Claude Shannon
Claude Shannon kallas ibland informationsålderns fader - så stort är hans bidrag till teorin om kommunikation och datavetenskap. Claude Shannon föddes 1916 i USA. Han arbetade på Bell Lab och vid ett antal amerikanska universitet. Under kriget arbetade han med Alan Turing för att dechiffrera koderna för tyska ubåtar.
1948, i artikeln "Mathematical Theory of Communication", föreslog han termen bit som en beteckning på minsta informationsenhet. 1949 bevisade han (oberoende av Kotelnikov) ett teorem dedikerat till rekonstruktionen av en signal från dess diskreta prover. Det kallas ibland för Kotelnikov-Shannon-satsen. Det är sant att i väst är namnet på Nyquist-Shannon-satsen mer accepterat.
Shannon introducerade begreppet entropi i kommunikationsteorin. Jag studerade koder. Tack vare hans arbete har kryptografi blivit en fullfjädrad vetenskap.
Kotelnikov och kryptografi
Kotelnikov hanterade också problem med koder ochkryptografi. Tyvärr, under Sovjetunionens dagar, var allt relaterat till koder och chiffer strikt klassificerat. Och öppna publikationer av många av Kotelnikovs verk kunde inte vara. Han arbetade dock för att skapa slutna kommunikationskanaler, vars koder fienden inte kunde knäcka.
18 juni 1941, nästan före kriget, skrevs Kotelnikovs artikel "Basics of automatic encryption", publicerad i 2006 års samling "Quantum cryptography and Kotelnikov's theorem on one-time keys and readings".
Bruseimmunitet
Med hjälp av Kotelnikovs arbete utvecklades en teori om potentiell brusimmunitet, som bestämmer den maximala mängden störningar som kan finnas i en kommunikationskanal så att information inte går förlorad. En variant av en idealisk mottagare, som är långt ifrån den riktiga, övervägs. Men sätt att förbättra kommunikationskanalen är tydligt definierade.
Utforskning av rymden
Teamet ledd av Kotelnikov gjorde ett stort bidrag till systemen för rymdkommunikation, automation och telemetri. Sergei Pavlovich Korolev involverade Kotelnikov-laboratoriet för att lösa problemen inom rymdindustrin.
Dusintals kontroll- och mätpunkter byggdes, länkade till ett enda kontroll- och mätkomplex.
Radarutrustning för interplanetära rymdstationer utvecklades, kartläggningen utfördes i den ogenomskinliga atmosfären på planeten Venus. Med hjälp av enheter utvecklade under ledning av Kotelnikov genomförde rymdstationerna "Venera" och "Magellan"radarområden på planeten i förutbestämda sektorer. Som ett resultat vet vi vad som döljer sig på Venus bakom täta moln. Mars, Jupiter, Merkurius utforskades också.
Kotelnikovs utveckling har funnit tillämpning i orbitalstationer och moderna radioteleskop.
1998 tilldelades V. A. Kotelnikov von Karman-priset. Detta är ett pris från International Academy of Astronautics, som ges till personer med kreativt tänkande för ett betydande bidrag till rymdforskningen.
Sök efter radiosignaler från utomjordiska civilisationer
Det internationella programmet för att söka efter radiosignaler från utomjordiska civilisationer Seti med de största radioteleskopen lanserades på 90-talet. Det var Kotelnikov som motiverade behovet av att använda flerkanalsmottagare för detta ändamål. Moderna mottagare lyssnar på miljontals radiokanaler samtidigt och täcker hela möjliga räckvidd.
Också under hans ledning utfördes ett arbete som definierar kriterierna för en rimlig smalbandssignal i allmänt brus och störningar.
Tyvärr har denna sökning hittills inte lyckats. Men på historiens skala genomförs de under en mycket kort tid.
Kotelnikovs teorem hänvisar till grundläggande upptäckter inom vetenskapen. Det kan säkert jämställas med satserna för Pythagoras, Euler, Gauss, Lorentz, etc.
I varje område där det är nödvändigt att sända eller ta emot elektromagnetiska signaler använder vi medvetet eller omedvetet Kotelnikov-satsen. Vi pratar i telefon, tittar på tvlyssna på radio, använda internet. Allt detta innehåller i princip principen om sampling av signaler.
