Στα τέλη του δέκατου ένατου και τις αρχές του εικοστού αιώνα, οι τηλεφωνικές και ραδιοεπικοινωνίες αναπτύχθηκαν γρήγορα. Το 1882 ξεκίνησε το πρώτο τηλεφωνικό κέντρο στη Ρωσία στην Αγία Πετρούπολη. Αυτός ο σταθμός είχε 259 συνδρομητές. Και στη Μόσχα την ίδια περίπου εποχή υπήρχαν 200 συνδρομητές.
Το 1896, ο Alexander Popov μετέδωσε το πρώτο ραδιοφωνικό σήμα σε απόσταση 250 μέτρων, αποτελούμενο από μόνο δύο λέξεις: "Heinrich Hertz".
Η ανάπτυξη των επικοινωνιών βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της τεχνολογικής προόδου. Από τότε έχει περάσει λίγο περισσότερο από έναν αιώνα και χάρη στη δουλειά επιστημόνων και μηχανικών σε αυτόν τον κλάδο, βλέπουμε πώς έχει αλλάξει ο κόσμος.
Δεν μπορούμε να φανταστούμε τη ζωή μας χωρίς τηλέφωνα, ραδιοφωνικές επικοινωνίες, τηλεόραση και Διαδίκτυο. Αυτό βασίζεται στη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, η θεωρία των οποίων αναπτύχθηκε από τον James Clerk Maxwell στα μέσα του δέκατου ένατου αιώνα. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι ο φορέας χρήσιμων σημάτων και στη θεωρία της μετάδοσης σήματος, το θεώρημα του Ρώσου επιστήμονα και μηχανικού, ακαδημαϊκού Βλαντιμίρ Αλεξάντροβιτς Κοτέλνικοφ παίζει θεμελιώδη ρόλο.
Μπήκε στην επιστήμη με το όνομα του θεωρήματος του Kotelnikov.
Βλαντιμίρ ΑλεξάντροβιτςKotelnikov
Ο μελλοντικός ακαδημαϊκός γεννήθηκε το 1908 σε μια οικογένεια δασκάλων στο Πανεπιστήμιο του Καζάν. Σπούδασε στο MVTU im. Bauman, παρακολούθησε διαλέξεις που τον ενδιαφέρουν στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας. Το 1930, η σχολή ηλεκτρολόγων μηχανικών, όπου σπούδασε ο Kotelnikov, μετατράπηκε σε Ινστιτούτο Ηλεκτρομηχανικής της Μόσχας και ο Kotelnikov αποφοίτησε από αυτό. Μετά την αποφοίτησή του, εργάστηκε σε διάφορα πανεπιστήμια και εργαστήρια. Κατά τη διάρκεια του πολέμου, ήταν επικεφαλής του εργαστηρίου ενός κλειστού ερευνητικού ινστιτούτου στην Ούφα, όπου ασχολήθηκε με θέματα ασφαλών καναλιών επικοινωνίας και κωδικοποίησης μηνυμάτων.
Περίπου τέτοιες εξελίξεις αναφέρει ο Σολζενίτσιν στο μυθιστόρημά του «Στον πρώτο κύκλο».
Για σαράντα περίπου χρόνια ήταν υπεύθυνος του Τμήματος «Βασικά στοιχεία της Ραδιομηχανικής», και ήταν Κοσμήτορας της Σχολής Ραδιομηχανικών. Αργότερα έγινε διευθυντής του Ινστιτούτου Ραδιομηχανικής και Ηλεκτρονικής της Ακαδημίας Επιστημών της ΕΣΣΔ.
Όλοι οι μαθητές των σχετικών ειδικοτήτων εξακολουθούν να σπουδάζουν σύμφωνα με το εγχειρίδιο του Kotelnikov «Θεωρητικά θεμέλια της ραδιοτεχνικής».
Ο Kotelnikov ασχολήθηκε επίσης με τα προβλήματα της ραδιοαστρονομίας, της ραδιοφυσικής έρευνας των ωκεανών και της διαστημικής έρευνας.
Δεν πρόλαβε να δημοσιεύσει το τελευταίο του έργο "Model Quantum Mechanics", που γράφτηκε ήδη σε ηλικία σχεδόν 97 ετών. Κυκλοφόρησε μόλις το 2008
Ο V. A. Kotelnikov πέθανε σε ηλικία 97 ετών στις 11 Φεβρουαρίου 2005. Ήταν δύο φορές ήρωας της σοσιαλιστικής εργασίας, του απονεμήθηκαν πολλά κυβερνητικά βραβεία. Ένας από τους μικρότερους πλανήτες πήρε το όνομά του.
θεώρημα Kotelnikov
Ανάπτυξη συστημάτων επικοινωνίαςεγείρει πολλά θεωρητικά ερωτήματα. Για παράδειγμα, σήματα σχετικά με το εύρος συχνοτήτων που μπορούν να μεταδοθούν μέσω καναλιών επικοινωνίας, διαφορετικής φυσικής δομής, με διαφορετικό εύρος ζώνης, ώστε να μην χάνονται πληροφορίες κατά τη λήψη.
Το 1933, ο Kotelnikov απέδειξε το θεώρημά του, το οποίο αλλιώς ονομάζεται θεώρημα δειγματοληψίας.
Διατύπωση του θεωρήματος του Kotelnikov:
Αν ένα αναλογικό σήμα έχει πεπερασμένο (περιορισμένο σε πλάτος) φάσμα, τότε μπορεί να ανακατασκευαστεί αναμφισβήτητα και χωρίς απώλεια από τα διακριτά δείγματά του που λαμβάνονται σε συχνότητα αυστηρά μεγαλύτερη από τη διπλάσια της ανώτερης συχνότητας.
Περιγράφει την ιδανική περίπτωση όταν ο χρόνος διάρκειας του σήματος είναι άπειρος. Δεν έχει διακοπές, αλλά έχει περιορισμένο φάσμα (από το θεώρημα του Kotelnikov). Ωστόσο, το μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει σήματα περιορισμένου φάσματος είναι καλά εφαρμόσιμο στην πράξη σε πραγματικά σήματα.
Με βάση το θεώρημα Kotelnikov, μπορεί να εφαρμοστεί μια μέθοδος για τη διακριτή μετάδοση συνεχών σημάτων.
Φυσική σημασία του θεωρήματος
Το θεώρημα του Kotelnikov μπορεί να εξηγηθεί με απλούς όρους ως εξής. Εάν χρειάζεται να μεταδώσετε ένα συγκεκριμένο σήμα, τότε δεν είναι απαραίτητο να το μεταδώσετε στο σύνολό του. Μπορείτε να μεταδώσετε τις στιγμιαίες παρορμήσεις του. Η συχνότητα μετάδοσης αυτών των παλμών ονομάζεται συχνότητα δειγματοληψίας στο θεώρημα Kotelnikov. Θα πρέπει να είναι διπλάσια από την ανώτερη συχνότητα του φάσματος σήματος. Σε αυτήν την περίπτωση, στο άκρο λήψης, το σήμα αποκαθίσταται χωρίς παραμόρφωση.
Το θεώρημα του Kotelnikov εξάγει πολύ σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με τη διακριτοποίηση. Υπάρχουν διαφορετικοί ρυθμοί δειγματοληψίας για διαφορετικούς τύπους σημάτων. Για φωνητικό (τηλεφωνικό) μήνυμα με πλάτος καναλιού 3,4 kHz - 6,8 kHz και για τηλεοπτικό σήμα - 16 MHz.
Στη θεωρία επικοινωνίας, υπάρχουν διάφοροι τύποι καναλιών επικοινωνίας. Σε φυσικό επίπεδο - ενσύρματα, ακουστικά, οπτικά, υπέρυθρα και ραδιοφωνικά κανάλια. Και παρόλο που το θεώρημα αναπτύχθηκε για ένα ιδανικό κανάλι επικοινωνίας, είναι εφαρμόσιμο σε όλους τους άλλους τύπους καναλιών.
Πολυκαναλικές τηλεπικοινωνίες
Το θεώρημα του Kotelnikov βασίζεται στις πολυκαναλικές τηλεπικοινωνίες. Κατά τη δειγματοληψία και τη μετάδοση παλμών, η περίοδος μεταξύ των παλμών είναι πολύ μεγαλύτερη από τη διάρκειά τους. Αυτό σημαίνει ότι στα διαστήματα των παλμών ενός σήματος (αυτό ονομάζεται κύκλος λειτουργίας), είναι δυνατή η μετάδοση παλμών ενός άλλου σήματος. Υλοποιήθηκαν συστήματα για κανάλια φωνής 12, 15, 30, 120, 180, 1920. Δηλαδή, περίπου 2000 τηλεφωνικές συνομιλίες μπορούν να μεταδοθούν ταυτόχρονα μέσω ενός ζεύγους καλωδίων.
Με βάση το θεώρημα Kotelnikov, με απλά λόγια, προέκυψαν σχεδόν όλα τα σύγχρονα συστήματα επικοινωνίας.
Harry Nyquist
Όπως συμβαίνει μερικές φορές στην επιστήμη, οι επιστήμονες που ασχολούνται με παρόμοια προβλήματα καταλήγουν σχεδόν ταυτόχρονα στα ίδια συμπεράσματα. Αυτό είναι αρκετά φυσικό. Μέχρι τώρα, οι διαφωνίες δεν έχουν υποχωρήσει σχετικά με το ποιος ανακάλυψε το νόμο της διατήρησης - ο Λομονόσοφ ή ο Λαβουαζιέ, που εφηύρε τη λάμπα πυρακτώσεως - ο Γιαμπλότσκιν ή ο Έντισον, που εφηύρε το ραδιόφωνο - ο Ποπόφ ή ο Μαρκόνι. Αυτή η λίστα είναι ατελείωτη.
Ναι,Ο Αμερικανός φυσικός σουηδικής καταγωγής Χάρι Νίκουιστ το 1927 στο περιοδικό «Certain Problems of Telegraph Transmission» δημοσίευσε την έρευνά του με συμπεράσματα παρόμοια με του Kotelnikov. Το θεώρημά του μερικές φορές ονομάζεται θεώρημα Kotelnikov-Nyquist.
Ο Χάρι Νίκουιστ γεννήθηκε το 1907, έκανε το διδακτορικό του στο Πανεπιστήμιο του Γέιλ και εργάστηκε στα εργαστήρια Bell. Εκεί μελέτησε τα προβλήματα του θερμικού θορύβου στους ενισχυτές, συμμετείχε στην ανάπτυξη του πρώτου φωτοτηλεγράφου. Τα έργα του λειτούργησαν ως βάση για τις περαιτέρω εξελίξεις του Claude Shannon. Ο Nyquist πέθανε το 1976
Claude Shannon
Ο Claude Shannon αποκαλείται μερικές φορές ο πατέρας της εποχής της πληροφορίας - τόσο μεγάλη είναι η συμβολή του στη θεωρία της επικοινωνίας και της επιστήμης των υπολογιστών. Ο Claude Shannon γεννήθηκε το 1916 στις Η. Π. Α. Εργάστηκε στο Bell Lab και σε πολλά αμερικανικά πανεπιστήμια. Κατά τη διάρκεια του πολέμου, συνεργάστηκε με τον Άλαν Τούρινγκ για να αποκρυπτογραφήσει τους κωδικούς των γερμανικών υποβρυχίων.
Το 1948, στο άρθρο "Mathematical Theory of Communication", πρότεινε τον όρο bit ως προσδιορισμό της ελάχιστης μονάδας πληροφοριών. Το 1949, απέδειξε (ανεξάρτητα από τον Kotelnikov) ένα θεώρημα αφιερωμένο στην ανακατασκευή ενός σήματος από τα διακριτά δείγματά του. Μερικές φορές ονομάζεται θεώρημα Kotelnikov-Shannon. Είναι αλήθεια ότι στη Δύση το όνομα του θεωρήματος Nyquist-Shannon είναι πιο αποδεκτό.
Ο Σάνον εισήγαγε την έννοια της εντροπίας στη θεωρία της επικοινωνίας. Σπούδασα κώδικες. Χάρη στο έργο του, η κρυπτογραφία έχει γίνει μια πλήρης επιστήμη.
Kotelnikov και κρυπτογραφία
Ο
Kotelnikov ασχολήθηκε επίσης με προβλήματα κωδικών καικρυπτογράφηση. Δυστυχώς, την εποχή της ΕΣΣΔ, ό,τι είχε σχέση με κώδικες και κρυπτογράφηση ήταν αυστηρά ταξινομημένο. Και ανοιχτές εκδόσεις πολλών έργων του Κοτέλνικοφ δεν θα μπορούσαν να είναι. Ωστόσο, εργάστηκε για τη δημιουργία κλειστών διαύλων επικοινωνίας, τους κώδικες των οποίων ο εχθρός δεν μπορούσε να σπάσει.
18 Ιουνίου 1941, σχεδόν πριν από τον πόλεμο, γράφτηκε το άρθρο του Kotelnikov "Basics of automatic encryption", που δημοσιεύτηκε στη συλλογή του 2006 "Quantum cryptography and Kotelnikov's theorem on one-time keys and readings".
Ανοσία στον θόρυβο
Με τη βοήθεια του έργου του Kotelnikov, αναπτύχθηκε μια θεωρία πιθανής ανοσίας θορύβου, η οποία καθορίζει το μέγιστο ποσό παρεμβολής που μπορεί να υπάρχει σε ένα κανάλι επικοινωνίας, ώστε να μην χάνονται πληροφορίες. Εξετάζεται μια παραλλαγή ενός ιδανικού δέκτη, που απέχει πολύ από τον πραγματικό. Αλλά οι τρόποι βελτίωσης του καναλιού επικοινωνίας είναι σαφώς καθορισμένοι.
Εξερεύνηση του Διαστήματος
Η ομάδα με επικεφαλής τον Kotelnikov συνέβαλε πολύ στα συστήματα διαστημικών επικοινωνιών, αυτοματισμού και τηλεμετρίας. Ο Σεργκέι Παβλόβιτς Κορόλεφ συμμετείχε στο εργαστήριο Kotelnikov στην επίλυση των προβλημάτων της διαστημικής βιομηχανίας.
Δημιουργήθηκαν δεκάδες σημεία ελέγχου και μέτρησης, συνδεδεμένα σε ένα ενιαίο σύμπλεγμα ελέγχου και μέτρησης.
Αναπτύχθηκε εξοπλισμός ραντάρ για διαπλανητικούς διαστημικούς σταθμούς, η χαρτογράφηση πραγματοποιήθηκε στην αδιαφανή ατμόσφαιρα του πλανήτη Αφροδίτης. Με τη βοήθεια συσκευών που αναπτύχθηκαν υπό τη διεύθυνση του Kotelnikov, οι διαστημικοί σταθμοί "Venera" και "Magellan" πραγματοποίησανπεριοχές ραντάρ του πλανήτη σε προκαθορισμένους τομείς. Ως αποτέλεσμα, γνωρίζουμε τι κρύβεται στην Αφροδίτη πίσω από πυκνά σύννεφα. Ο Άρης, ο Δίας, ο Ερμής εξερευνήθηκαν επίσης.
Οι εξελίξεις του Kotelnikov έχουν βρει εφαρμογή σε τροχιακούς σταθμούς και σύγχρονα ραδιοτηλεσκόπια.
Το 1998, ο V. A. Kotelnikov τιμήθηκε με το βραβείο von Karman. Πρόκειται για ένα βραβείο από τη Διεθνή Ακαδημία Αστροναυτικής, το οποίο απονέμεται σε άτομα με δημιουργική σκέψη για σημαντική συνεισφορά στη διαστημική έρευνα.
Αναζήτηση ραδιοφωνικών σημάτων από εξωγήινους πολιτισμούς
Το διεθνές πρόγραμμα για την αναζήτηση ραδιοφωνικών σημάτων εξωγήινων πολιτισμών Seti χρησιμοποιώντας τα μεγαλύτερα ραδιοτηλεσκόπια ξεκίνησε τη δεκαετία του '90. Ήταν ο Kotelnikov που δικαιολόγησε την ανάγκη χρήσης πολυκαναλικών δεκτών για το σκοπό αυτό. Οι σύγχρονοι δέκτες ακούν εκατομμύρια ραδιοφωνικά κανάλια ταυτόχρονα, καλύπτοντας όλο το πιθανό εύρος.
Επίσης, υπό την ηγεσία του, πραγματοποιήθηκε εργασία που καθορίζει τα κριτήρια για ένα εύλογο σήμα στενής ζώνης σε γενικό θόρυβο και παρεμβολές.
Δυστυχώς, μέχρι στιγμής αυτή η αναζήτηση δεν ήταν επιτυχής. Αλλά στην κλίμακα της ιστορίας, διεξάγονται για πολύ μικρό χρονικό διάστημα.
Το θεώρημα του Kotelnikov αναφέρεται σε θεμελιώδεις ανακαλύψεις στην επιστήμη. Μπορεί να συγκριθεί με ασφάλεια με τα θεωρήματα του Πυθαγόρα, του Euler, του Gauss, του Lorentz κ.λπ.
Σε κάθε περιοχή όπου είναι απαραίτητη η μετάδοση ή λήψη οποιουδήποτε ηλεκτρομαγνητικού σήματος, συνειδητά ή ασυνείδητα χρησιμοποιούμε το θεώρημα Kotelnikov. Μιλάμε στο τηλέφωνο, βλέπουμε τηλεόρασηακούστε ραδιόφωνο, χρησιμοποιήστε το Διαδίκτυο. Όλα αυτά βασικά περιέχουν την αρχή της δειγματοληψίας σημάτων.
