Ob koncu devetnajstega in začetku dvajsetega stoletja so se telefonske in radijske komunikacije hitro razvijale. Leta 1882 je bila v Sankt Peterburgu zagnana prva telefonska centrala v Rusiji. Ta postaja je imela 259 naročnikov. In v Moskvi je bilo približno ob istem času 200 naročnikov.
Leta 1896 je Aleksander Popov oddal prvi radijski signal na razdaljo 250 metrov, sestavljen iz samo dveh besed: "Heinrich Hertz".
Razvoj komunikacij je bil v ospredju tehnološkega napredka. Od takrat je minilo nekaj več kot stoletje in zahvaljujoč delu znanstvenikov in inženirjev v tej industriji vidimo, kako se je svet spremenil.
Ne moremo si predstavljati svojega življenja brez telefonov, radijskih komunikacij, televizije in interneta. Ta temelji na širjenju elektromagnetnih valov, katerega teorijo je sredi devetnajstega stoletja razvil James Clerk Maxwell. Elektromagnetni valovi so nosilec uporabnih signalov, v teoriji prenosa signalov pa ima temeljno vlogo izrek ruskega znanstvenika in inženirja, akademika Vladimirja Aleksandroviča Kotelnikova.
V znanost je vstopil pod imenom Kotelnikovega izreka.
Vladimir AleksandrovičKotelnikov
Bodoči akademik se je rodil leta 1908 v družini učiteljev univerze Kazan. Študiral na MVTU im. Bauman, obiskoval predavanja, ki so ga zanimala, na Moskovski državni univerzi. Leta 1930 se je elektrotehniška fakulteta, kjer je študiral Kotelnikov, preoblikovala v Moskovski energetski inštitut in Kotelnikov je na njem diplomiral. Po diplomi je delal na različnih univerzah in laboratorijih. Med vojno je vodil laboratorij zaprtega raziskovalnega inštituta v Ufi, kjer se je ukvarjal z vprašanji varnih komunikacijskih kanalov in kodiranja sporočil.
Približno takšen razvoj omenja Solženjicin v svojem romanu "V prvem krogu".
Približno štirideset let je vodil katedro za "Osnove radiotehnike" in bil dekan Fakultete za radiotehniko. Kasneje je postal direktor Inštituta za radiotehniko in elektroniko Akademije znanosti ZSSR.
Vsi študenti ustreznih specialnosti še vedno študirajo po Kotelnikovem učbeniku "Teoretični temelji radiotehnike".
Kotelnikov se je ukvarjal tudi s problemi radioastronomije, radiofizikalnih raziskav oceanov in vesoljskih raziskav.
Ni imel časa objaviti svojega zadnjega dela "Model Quantum Mechanics", napisanega že pri skoraj 97 letih. Izšel je šele leta 2008
V. A. Kotelnikov je umrl v starosti 97 let 11. februarja 2005. Bil je dvakrat heroj socialističnega dela, prejel številne vladne nagrade. Eden od manjših planetov je poimenovan po njem.
Kotelnikov izrek
Razvoj komunikacijskih sistemovodpira številna teoretična vprašanja. Na primer, signali, v katerem frekvenčnem območju se lahko prenašajo po komunikacijskih kanalih, drugačne fizične strukture, z različno pasovno širino, da ne bi izgubili informacij med sprejemom.
Leta 1933 je Kotelnikov dokazal svoj izrek, ki se sicer imenuje izrek vzorčenja.
Formulacija Kotelnikovega izreka:
Če ima analogni signal končen (širino omejen) spekter, ga je mogoče nedvoumno in brez izgube rekonstruirati iz njegovih diskretnih vzorcev, odvzetih s frekvenco, ki je strogo večja od dvakratne zgornje frekvence.
Opiše idealen primer, ko je čas trajanja signala neskončen. Nima prekinitev, ima pa omejen spekter (po Kotelnikovem izreku). Vendar pa je matematični model, ki opisuje signale z omejenim spektrom, dobro uporaben v praksi za resnične signale.
Na podlagi Kotelnikovega izreka je mogoče implementirati metodo za diskretni prenos neprekinjenih signalov.
Fizični pomen izreka
Kotelnikov izrek je mogoče preprosto razložiti, kot sledi. Če morate oddati določen signal, ga ni treba posredovati v celoti. Lahko prenašate njegove trenutne impulze. Frekvenca prenosa teh impulzov se v Kotelnikovem izreku imenuje frekvenca vzorčenja. Biti mora dvakrat večja od zgornje frekvence spektra signala. V tem primeru se na sprejemni strani signal obnovi brez popačenja.
Kotelnikov izrek daje zelo pomembne zaključke o diskretizaciji. Za različne vrste signalov obstajajo različne stopnje vzorčenja. Za glasovno (telefonsko) sporočilo s širino kanala 3,4 kHz - 6,8 kHz in za televizijski signal - 16 MHz.
V komunikacijski teoriji obstaja več vrst komunikacijskih kanalov. Na fizični ravni - žični, zvočni, optični, infrardeči in radijski kanali. Čeprav je bil izrek razvit za idealen komunikacijski kanal, je uporaben za vse druge vrste kanalov.
Večkanalne telekomunikacije
Kotelnikov izrek je osnova večkanalnih telekomunikacij. Pri vzorčenju in oddajanju impulzov je obdobje med impulzi veliko večje od njihovega trajanja. To pomeni, da je v intervalih impulzov enega signala (temu pravimo delovni cikel) možno oddajati impulze drugega signala. Izvedeni so bili sistemi za 12, 15, 30, 120, 180, 1920 glasovnih kanalov. To pomeni, da se lahko prek enega para žic hkrati prenaša približno 2000 telefonskih pogovorov.
Na podlagi Kotelnikovega izreka, s preprostimi besedami, so nastali skoraj vsi sodobni komunikacijski sistemi.
Harry Nyquist
Kot je včasih v znanosti, znanstveniki, ki se ukvarjajo s podobnimi problemi, skoraj istočasno pridejo do istih zaključkov. To je povsem naravno. Do zdaj se spori niso umirili o tem, kdo je odkril zakon ohranjanja - Lomonosov ali Lavoisier, kdo je izumil žarnico - Yablochkin ali Edison, kdo je izumil radio - Popov ali Marconi. Ta seznam je neskončen.
Da,Ameriški fizik švedskega porekla Harry Nyquist je leta 1927 v reviji "Certain Problems of Telegraph Transmission" objavil svojo raziskavo s podobnimi zaključki kot Kotelnikov. Njegov izrek se včasih imenuje Kotelnikov-Nyquistov izrek.
Harry Nyquist se je rodil leta 1907, doktoriral je na univerzi Yale in delal v Bell Labs. Tam je preučeval probleme toplotnega šuma v ojačevalnikih, sodeloval pri razvoju prvega fototelegrafa. Njegova dela so služila kot osnova za nadaljnji razvoj Clauda Shannona. Nyquist je umrl leta 1976
Claude Shannon
Clauda Shannona včasih imenujejo oče informacijske dobe – tako velik je njegov prispevek k teoriji komunikacije in računalništva. Claude Shannon se je rodil leta 1916 v ZDA. Delal je v laboratoriju Bell in na številnih ameriških univerzah. Med vojno je sodeloval z Alanom Turingom pri dešifriranju kod nemških podmornic.
Leta 1948 je v članku "Matematična teorija komunikacije" predlagal izraz bit kot označbo minimalne informacijske enote. Leta 1949 je dokazal (neodvisno od Kotelnikova) izrek, posvečen rekonstrukciji signala iz njegovih diskretnih vzorcev. Včasih se imenuje Kotelnikov-Shannonov izrek. Res je, na Zahodu je ime Nyquist-Shannonovega izreka bolj sprejeto.
Shannon je uvedla koncept entropije v komunikacijsko teorijo. Študiral sem kode. Zahvaljujoč njegovemu delu je kriptografija postala polnopravna znanost.
Kotelnikov in kriptografija
Kotelnikov se je ukvarjal tudi s problemi kod inkriptografija. Na žalost je bilo v času ZSSR vse, kar je povezano s kodami in šiframi, strogo tajno. In odprte objave mnogih Kotelnikovih del ne bi mogle biti. Vendar si je prizadeval ustvariti zaprte komunikacijske kanale, katerih kod sovražnik ni mogel razbiti.
18. junija 1941, skoraj pred vojno, je bil napisan Kotelnikov članek »Osnove avtomatskega šifriranja«, objavljen v zbirki »Kvantna kriptografija in Kotelnikov izrek o enkratnih ključih in odčitkih«.
Odpornost proti hrupu
S pomočjo Kotelnikovega dela je bila razvita teorija potencialne odpornosti proti hrupu, ki določa največjo količino motenj, ki je lahko v komunikacijskem kanalu, da se informacije ne izgubijo. Upošteva se varianta idealnega sprejemnika, ki je daleč od pravega. Toda načini za izboljšanje komunikacijskega kanala so jasno opredeljeni.
raziskovanje vesolja
Ekipa pod vodstvom Kotelnikova je veliko prispevala k sistemom vesoljskih komunikacij, avtomatizacije in telemetrije. Sergej Pavlovič Korolev je v reševanje problemov vesoljske industrije vključil laboratorij Kotelnikov.
Zgrajenih je bilo na desetine kontrolnih in merilnih točk, povezanih v en sam nadzorno-merni kompleks.
Radarska oprema za medplanetarne vesoljske postaje je bila razvita, kartiranje je bilo izvedeno v neprozorni atmosferi planeta Venera. S pomočjo naprav, razvitih pod vodstvom Kotelnikova, sta izvedli vesoljski postaji "Venera" in "Magellan".radarska območja planeta v vnaprej določenih sektorjih. Posledično vemo, kaj se na Veneri skriva za gostimi oblaki. Raziskali so tudi Mars, Jupiter, Merkur.
Kotelnikov razvoj je našel uporabo v orbitalnih postajah in sodobnih radijskih teleskopih.
Leta 1998 je V. A. Kotelnikov prejel von Karmanovo nagrado. To je nagrada Mednarodne akademije za astronavtiko, ki jo podeljujejo ljudem z ustvarjalnim razmišljanjem za pomemben prispevek k vesoljskim raziskavam.
Išči radijske signale iz nezemeljskih civilizacij
Mednarodni program za iskanje radijskih signalov nezemeljskih civilizacij Seti z uporabo največjih radijskih teleskopov je bil uveden v 90. letih. Kotelnikov je utemeljil potrebo po uporabi večkanalnih sprejemnikov v ta namen. Sodobni sprejemniki poslušajo na milijone radijskih kanalov hkrati in pokrivajo celoten možni obseg.
Prav tako je bilo pod njegovim vodstvom opravljeno delo, ki opredeljuje merila za razumen ozkopasovni signal v splošnem šumu in motnjah.
Na žalost to iskanje doslej ni bilo uspešno. Toda na lestvici zgodovine se izvajajo zelo kratek čas.
Kotelnikov izrek se nanaša na temeljna odkritja v znanosti. Lahko se varno primerja z izreki Pitagore, Eulerja, Gaussa, Lorentza itd.
Na vsakem področju, kjer je potrebno oddajati ali sprejemati kakršne koli elektromagnetne signale, zavestno ali nezavedno uporabljamo Kotelnikov izrek. Govorimo po telefonu, gledamo televizijoposlušajte radio, uporabljajte internet. Vse to v bistvu vsebuje princip vzorčenja signalov.
