Devyniolikto amžiaus pabaigoje ir XX amžiaus pradžioje telefono ir radijo ryšys sparčiai vystėsi. 1882 metais Sankt Peterburge pradėjo veikti pirmoji Rusijoje telefono stotis. Ši stotis turėjo 259 abonentus. Ir Maskvoje maždaug tuo pačiu metu buvo 200 prenumeratorių.
1896 m. Aleksandras Popovas perdavė pirmąjį radijo signalą 250 metrų atstumu, sudarytą tik iš dviejų žodžių: „Heinrichas Hercas“.
Ryšių plėtra buvo technologinės pažangos priešakyje. Nuo to laiko praėjo šiek tiek daugiau nei šimtmetis, o šios pramonės mokslininkų ir inžinierių darbo dėka matome, kaip pasikeitė pasaulis.
Neįsivaizduojame savo gyvenimo be telefonų, radijo ryšio, televizijos ir interneto. Tai pagrįsta elektromagnetinių bangų sklidimu, kurio teoriją XIX amžiaus viduryje sukūrė Jamesas Clerkas Maxwellas. Elektromagnetinės bangos yra naudingų signalų nešėjas, o signalo perdavimo teorijoje pagrindinį vaidmenį atlieka rusų mokslininko ir inžinieriaus, akademiko Vladimiro Aleksandrovičiaus Kotelnikovo teorema.
Jis pateko į mokslą Kotelnikovo teoremos pavadinimu.
Vladimiras AleksandrovičiusKotelnikovas
Būsimas akademikas gimė 1908 m. Kazanės universiteto dėstytojų šeimoje. Mokėsi MVTU im. Baumanas, lankė jį dominančias paskaitas Maskvos valstybiniame universitete. 1930 metais Elektros inžinerijos fakultetas, kuriame studijavo Kotelnikovas, buvo pertvarkytas į Maskvos energetikos institutą, kurį Kotelnikovas baigė. Baigęs studijas dirbo įvairiuose universitetuose ir laboratorijose. Karo metu jis vadovavo uždaro tyrimų instituto Ufoje laboratorijai, kur sprendė saugių ryšio kanalų ir pranešimų kodavimo klausimus.
Maždaug tokius pokyčius Solženicynas paminėjo savo romane „Pirmajame rate“.
Apie keturiasdešimt metų jis vadovavo Radijo inžinerijos pagrindų katedrai ir buvo Radijo inžinerijos fakulteto dekanas. Vėliau tapo SSRS mokslų akademijos Radijo inžinerijos ir elektronikos instituto direktoriumi.
Visi atitinkamų specialybių studentai dar studijuoja pagal Kotelnikovo vadovėlį „Radijo inžinerijos teoriniai pagrindai“.
Kotelnikovas taip pat nagrinėjo radijo astronomijos, vandenynų radiofizinių tyrimų ir kosmoso tyrimų problemas.
Jis nespėjo paskelbti paskutinio savo kūrinio „Modelinė kvantinė mechanika“, parašyto jau būdamas beveik 97 metų. Jis pasirodė tik 2008 m.
V. A. Kotelnikovas mirė sulaukęs 97 metų 2005 m. vasario 11 d. Jis du kartus buvo socialistinio darbo didvyris, buvo apdovanotas daugybe vyriausybės apdovanojimų. Viena iš mažųjų planetų pavadinta jo vardu.
Kotelnikovo teorema
Ryšio sistemų kūrimaskelia daug teorinių klausimų. Pavyzdžiui, kokio dažnio diapazono signalai gali būti perduodami ryšio kanalais, skirtingos fizinės struktūros, skirtingu pralaidumu, kad neprarastų informacijos priėmimo metu.
1933 m. Kotelnikovas įrodė savo teoremą, kuri kitaip vadinama atrankos teorema.
Kotelnikovo teoremos formuluotė:
Jei analoginis signalas turi baigtinį (riboto pločio) spektrą, jį galima nedviprasmiškai ir be nuostolių atkurti iš atskirų mėginių, paimtų dažniu, griežtai didesniu nei du kartus už viršutinį dažnį.
Apibūdinamas idealus atvejis, kai signalo trukmė yra begalinė. Jis neturi pertrūkių, bet turi ribotą spektrą (pagal Kotelnikovo teoremą). Tačiau matematinis modelis, apibūdinantis riboto spektro signalus, praktiškai pritaikomas tikriems signalams.
Remiantis Kotelnikovo teorema, galima įgyvendinti diskretiško nuolatinių signalų perdavimo metodą.
Fizinė teoremos prasmė
Kotelnikovo teoremą paprastai galima paaiškinti taip. Jei reikia perduoti tam tikrą signalą, nebūtina jo perduoti viso. Galite perduoti momentinius jo impulsus. Šių impulsų perdavimo dažnis Kotelnikovo teoremoje vadinamas diskretizavimo dažniu. Jis turėtų būti du kartus didesnis už viršutinį signalo spektro dažnį. Tokiu atveju priėmimo gale signalas atkuriamas be iškraipymų.
Kotelnikovo teorema daro labai svarbias išvadas apie diskretizavimą. Įvairių tipų signalams yra skirtingi atrankos dažniai. Balso (telefono) pranešimui, kurio kanalo plotis 3,4 kHz – 6,8 kHz, o televizijos signalui – 16 MHz.
Komunikacijos teorijoje yra keletas komunikacijos kanalų tipų. Fiziniame lygmenyje – laidiniai, akustiniai, optiniai, infraraudonųjų ir radijo kanalai. Ir nors teorema buvo sukurta idealiam ryšio kanalui, ji taikoma visiems kitų tipų kanalams.
Kelių kanalų telekomunikacijos
Kotelnikovo teorema yra daugiakanalių telekomunikacijų pagrindas. Imant ir perduodant impulsus laikotarpis tarp impulsų yra daug didesnis nei jų trukmė. Tai reiškia, kad vieno signalo impulsų intervalais (tai vadinama darbo ciklu) galima perduoti kito signalo impulsus. Įdiegtos 12, 15, 30, 120, 180, 1920 balso kanalų sistemos. Tai reiškia, kad vienu laidų pora vienu metu galima perduoti apie 2000 pokalbių telefonu.
Remiantis Kotelnikovo teorema, paprastais žodžiais tariant, atsirado beveik visos šiuolaikinės ryšių sistemos.
Harry Nyquist
Kaip kartais nutinka moksle, mokslininkai, sprendžiantys panašias problemas, beveik vienu metu daro tas pačias išvadas. Tai gana natūralu. Iki šiol nesiliovė ginčai, kas atrado išsaugojimo dėsnį – Lomonosovas ar Lavuazjė, kas išrado kaitrinę lempą – Jabločkinas ar Edisonas, radiją – Popovas ar Marconi. Šis sąrašas yra begalinis.
Taip,Švedų kilmės amerikiečių fizikas Harry Nyquistas 1927 metais žurnale „Certain Problems of Telegraph Transmission“paskelbė savo tyrimą su panašiomis į Kotelnikovo išvadomis. Jo teorema kartais vadinama Kotelnikovo-Nikvisto teorema.
Harry Nyquist gimė 1907 m., daktaro laipsnį įgijo Jeilio universitete ir dirbo „Bell Labs“. Ten nagrinėjo šiluminio triukšmo stiprintuvuose problemas, dalyvavo kuriant pirmąjį fototelegrafą. Jo darbai buvo tolesnio Claude'o Shannono vystymosi pagrindas. Nyquist mirė 1976 m.
Claude'as Shannonas
Claude'as Shannonas kartais vadinamas informacijos amžiaus tėvu – toks didelis jo indėlis į komunikacijos ir informatikos teoriją. Claude'as Shannonas gimė 1916 m. JAV. Jis dirbo „Bell Lab“ir keliuose Amerikos universitetuose. Karo metu jis dirbo su Alanu Turingu, kad iššifruotų vokiečių povandeninių laivų kodus.
1948 m. straipsnyje „Matematinė komunikacijos teorija“jis pasiūlė terminą bitas kaip minimalų informacijos vienetą. 1949 m. jis įrodė (nepriklausomai nuo Kotelnikovo) teoremą, skirtą signalo atkūrimui iš jo atskirų pavyzdžių. Kartais tai vadinama Kotelnikovo-Šenono teorema. Tiesa, Vakaruose Nyquist-Shannon teoremos pavadinimas labiau priimtas.
Šenonas į komunikacijos teoriją įtraukė entropijos sąvoką. Studijavau kodus. Jo darbo dėka kriptografija tapo visaverčiu mokslu.
Kotelnikovas ir kriptografija
Kotelnikovas taip pat sprendė kodų ir kodų problemaskriptografija. Deja, SSRS laikais viskas, kas susiję su kodais ir šifrais, buvo griežtai įslaptinta. Ir daugelio Kotelnikovo kūrinių atviros publikacijos negalėjo būti. Tačiau jis stengėsi sukurti uždarus ryšio kanalus, kurių kodų priešas negalėjo nulaužti.
1941 m. birželio 18 d., beveik prieš karą, buvo parašytas Kotelnikovo straipsnis „Automatinio šifravimo pagrindai“, paskelbtas 2006 m. rinkinyje „Kvantinė kriptografija ir Kotelnikovo teorema apie vienkartinius raktus ir rodmenis“.
Atsparumas triukšmui
Kotelnikovo darbo pagalba buvo sukurta potencialaus atsparumo triukšmui teorija, kuri nustato maksimalų trukdžių kiekį, kuris gali būti ryšio kanale, kad informacija neprarastų. Svarstomas idealaus imtuvo variantas, kuris toli gražu nėra tikras. Tačiau būdai, kaip pagerinti komunikacijos kanalą, yra aiškiai apibrėžti.
Kosmoso tyrinėjimai
Kotelnikovo vadovaujama komanda labai prisidėjo prie kosminių ryšių, automatikos ir telemetrijos sistemų. Sergejus Pavlovičius Korolevas įtraukė Kotelnikovo laboratoriją į kosmoso pramonės problemų sprendimą.
Sukurta dešimtys valdymo ir matavimo taškų, sujungtų į vieną valdymo ir matavimo kompleksą.
Sukurta tarpplanetinių kosminių stočių radarų įranga, kartografavimas buvo atliktas nepermatomoje Veneros planetos atmosferoje. Kotelnikovo vadovaujant sukurtų prietaisų pagalba kosminės stotys „Venera“ir „Magellan“atlikoplanetos radaro zonos iš anksto nustatytuose sektoriuose. Dėl to mes žinome, kas slypi Veneroje už tankių debesų. Taip pat buvo ištirtas Marsas, Jupiteris, Merkurijus.
Kotelnikovo plėtra buvo pritaikyta orbitinėse stotyse ir šiuolaikiniuose radijo teleskopuose.
1998 metais V. A. Kotelnikovas buvo apdovanotas fon Karmano premija. Tai Tarptautinės astronautikos akademijos apdovanojimas, skirtas kūrybiškai mąstantiems žmonėms už svarų indėlį į kosmoso tyrimus.
Ieškoti radijo signalų iš nežemiškų civilizacijų
Dešimtajame dešimtmetyje buvo pradėta tarptautinė programa, skirta ieškoti nežemiškų civilizacijų Seti radijo signalų naudojant didžiausius radijo teleskopus. Būtent Kotelnikovas pateisino būtinybę šiam tikslui naudoti daugiakanalius imtuvus. Šiuolaikiniai imtuvai vienu metu klauso milijonų radijo kanalų, apimančių visą galimą diapazoną.
Be to, jam vadovaujant buvo atliktas darbas, apibrėžiantis pagrįsto siaurajuosčio signalo kriterijus bendrame triukšme ir trukdžiuose.
Deja, kol kas ši paieška nebuvo sėkminga. Tačiau istorijos mastu jie vykdomi labai trumpą laiką.
Kotelnikovo teorema nurodo esminius mokslo atradimus. Ją galima saugiai prilyginti Pitagoro, Eilerio, Gauso, Lorenco ir kt. teoremoms.
Kiekvienoje srityje, kur reikia perduoti ar priimti kokius nors elektromagnetinius signalus, mes sąmoningai ar nesąmoningai naudojame Kotelnikovo teoremą. Kalbamės telefonu, žiūrime televizoriųklausytis radijo, naudotis internetu. Visa tai iš esmės apima signalų atrankos principą.
