Deviņpadsmitā gadsimta beigās un divdesmitā gadsimta sākumā telefona un radio sakari strauji attīstījās. 1882. gadā Sanktpēterburgā tika iedarbināta pirmā telefona centrāle Krievijā. Šai stacijai bija 259 abonenti. Un Maskavā aptuveni tajā pašā laikā bija 200 abonentu.
1896. gadā Aleksandrs Popovs pārraidīja pirmo radiosignālu 250 metru attālumā, kas sastāvēja tikai no diviem vārdiem: "Heinrihs Hercs".
Sakaru attīstība ir bijusi tehnoloģiskā progresa priekšgalā. Kopš tā laika ir pagājis nedaudz vairāk nekā gadsimts, un, pateicoties zinātnieku un inženieru darbam šajā nozarē, mēs redzam, kā pasaule ir mainījusies.
Mēs nevaram iedomāties savu dzīvi bez telefoniem, radio sakariem, televīzijas un interneta. Tas ir balstīts uz elektromagnētisko viļņu izplatīšanos, kuras teoriju deviņpadsmitā gadsimta vidū izstrādāja Džeimss Klerks Maksvels. Elektromagnētiskie viļņi ir noderīgu signālu nesēji, un signālu pārraides teorijā būtiska loma ir krievu zinātnieka un inženiera, akadēmiķa Vladimira Aleksandroviča Koteļņikova teorēmai.
Zinātnē tas ienāca ar Koteļņikova teorēmas nosaukumu.
Vladimirs AleksandrovičsKoteļņikovs
Topošais akadēmiķis dzimis 1908. gadā Kazaņas universitātes pasniedzēju ģimenē. Mācījies MVTU im. Baumans apmeklēja viņu interesējošās lekcijas Maskavas Valsts universitātē. 1930. gadā elektrotehnikas fakultāte, kurā mācījās Koteļņikovs, tika pārveidota par Maskavas Enerģētikas institūtu, un Koteļņikovs to absolvēja. Pēc absolvēšanas viņš strādāja dažādās universitātēs un laboratorijās. Kara laikā viņš vadīja Ufas slēgtā pētniecības institūta laboratoriju, kur nodarbojās ar drošu sakaru kanālu un ziņojumu kodēšanas jautājumiem.
Apmēram šādus notikumus Solžeņicins piemin savā romānā "Pirmajā lokā".
Apmēram četrdesmit gadus viņš vadīja katedru "Radiotehnikas pamati" un bija Radiotehnikas fakultātes dekāns. Vēlāk kļuva par PSRS Zinātņu akadēmijas Radiotehnikas un elektronikas institūta direktoru.
Visi attiecīgo specialitāšu studenti joprojām mācās pēc Koteļņikova mācību grāmatas "Radiotehnikas teorētiskie pamati".
Koteļņikovs nodarbojās arī ar radioastronomijas, okeānu radiofizikālās izpētes un kosmosa izpētes problēmām.
Viņam nebija laika publicēt savu pēdējo darbu "Modeļa kvantu mehānika", kas sarakstīts jau gandrīz 97 gadu vecumā. Tas iznāca tikai 2008. gadā
V. A. Koteļņikovs nomira 97 gadu vecumā 2005. gada 11. februārī. Viņš divreiz bija sociālistiskā darba varonis, tika apbalvots ar daudziem valdības apbalvojumiem. Viena no mazajām planētām ir nosaukta viņa vārdā.
Koteļņikova teorēma
Sakaru sistēmu attīstībarada daudzus teorētiskus jautājumus. Piemēram, kāda frekvenču diapazona signālus var pārraidīt pa sakaru kanāliem, ar dažādu fizisko struktūru, ar dažādu joslas platumu, lai uztveršanas laikā nezaudētu informāciju.
1933. gadā Koteļņikovs pierādīja savu teorēmu, ko citādi sauc par izlases teorēmu.
Koteļņikova teorēmas formulējums:
Ja analogajam signālam ir ierobežots (platumā ierobežots) spektrs, tad to var nepārprotami un bez zaudējumiem rekonstruēt no diskrētajiem paraugiem, kas ņemti ar frekvenci, kas ir stingri lielāka par divreiz augstāko frekvenci.
Apraksta ideālo gadījumu, kad signāla ilgums ir bezgalīgs. Tam nav pārtraukumu, bet tam ir ierobežots spektrs (pēc Koteļņikova teorēmas). Tomēr matemātiskais modelis, kas apraksta ierobežota spektra signālus, ir labi piemērojams praksē reāliem signāliem.
Pamatojoties uz Koteļņikova teorēmu, var ieviest metodi nepārtrauktu signālu diskrētai pārraidei.
Teorēmas fiziskā nozīme
Koteļņikova teorēmu vienkāršos vārdos var izskaidrot šādi. Ja jums ir jāpārraida noteikts signāls, tad tas nav jāpārraida pilnībā. Jūs varat pārraidīt tā momentānos impulsus. Šo impulsu pārraides frekvenci Koteļņikova teorēmā sauc par paraugu ņemšanas frekvenci. Tam jābūt divreiz lielākam par signāla spektra augšējo frekvenci. Šajā gadījumā uztveršanas galā signāls tiek atjaunots bez kropļojumiem.
Koteļņikova teorēma izdara ļoti svarīgus secinājumus par diskretizāciju. Dažādiem signālu veidiem ir dažādi iztveršanas ātrumi. Balss (telefona) ziņojumam ar kanāla platumu 3,4 kHz - 6,8 kHz un televīzijas signālam - 16 MHz.
Saziņas teorijā ir vairāki komunikācijas kanālu veidi. Fiziskā līmenī – vadu, akustiskie, optiskie, infrasarkanie un radio kanāli. Un, lai gan teorēma tika izstrādāta ideālam saziņas kanālam, tā ir piemērojama visiem citiem kanālu veidiem.
Daudzkanālu telekomunikācijas
Koteļņikova teorēma ir daudzkanālu telekomunikāciju pamatā. Impulsu paraugu ņemšanas un pārraidīšanas laikā periods starp impulsiem ir daudz lielāks par to ilgumu. Tas nozīmē, ka viena signāla impulsu intervālos (to sauc par darba ciklu) ir iespējams pārraidīt cita signāla impulsus. Tika ieviestas sistēmas 12, 15, 30, 120, 180, 1920 balss kanāliem. Tas nozīmē, ka pa vienu vadu pāri vienlaikus var pārraidīt aptuveni 2000 tālruņa sarunas.
Pamatojoties uz Koteļņikova teorēmu, vienkāršiem vārdiem sakot, radās gandrīz visas mūsdienu sakaru sistēmas.
Harijs Nikvists
Kā tas dažkārt notiek zinātnē, zinātnieki, kas nodarbojas ar līdzīgām problēmām, gandrīz vienlaikus nonāk pie vienādiem secinājumiem. Tas ir diezgan dabiski. Līdz šim nav rimuši strīdi par to, kurš atklāja saglabāšanas likumu - Lomonosovs vai Lavuazjē, kurš izgudroja kvēlspuldzi - Jabločkins vai Edisons, kurš izgudroja radio - Popovs vai Markoni. Šis saraksts ir bezgalīgs.
Jā,Zviedru izcelsmes amerikāņu fiziķis Harijs Nikvists 1927. gadā žurnālā "Certain Problems of Telegraph Transmission" publicēja savu pētījumu ar Koteļņikova secinājumiem līdzīgiem. Viņa teorēmu dažreiz sauc par Koteļņikova-Nikvista teorēmu.
Harijs Nikvists dzimis 1907. gadā, ieguvis doktora grādu Jēlas universitātē un strādājis Bell Labs. Tur viņš pētīja termiskā trokšņa problēmas pastiprinātājos, piedalījās pirmā fototelegrāfa izstrādē. Viņa darbi kalpoja par pamatu Kloda Šenona turpmākajai attīstībai. Nikvista nomira 1976. gadā
Klods Šenons
Klodu Šenonu dažkārt dēvē par informācijas laikmeta tēvu - tik liels ir viņa ieguldījums komunikācijas un datorzinātņu teorijā. Klods Šenons dzimis 1916. gadā ASV. Viņš strādāja Bell Lab un vairākās Amerikas universitātēs. Kara laikā viņš strādāja kopā ar Alanu Tjūringu, lai atšifrētu vācu zemūdeņu kodus.
1948. gadā rakstā "Komunikācijas matemātiskā teorija" viņš ierosināja terminu bits kā minimālās informācijas vienības apzīmējumu. 1949. gadā viņš pierādīja (neatkarīgi no Koteļņikova) teorēmu, kas veltīta signāla rekonstrukcijai no tā diskrētajiem paraugiem. Dažreiz to sauc par Koteļņikova-Šenona teorēmu. Tiesa, Rietumos vairāk pieņemts ir Nikvista-Šenona teorēmas nosaukums.
Šenona komunikācijas teorijā ieviesa entropijas jēdzienu. Es studēju kodus. Pateicoties viņa darbam, kriptogrāfija ir kļuvusi par pilnvērtīgu zinātni.
Koteļņikovs un kriptogrāfija
Koteļņikovs arī nodarbojās ar kodu problēmām unkriptogrāfija. Diemžēl PSRS laikos viss, kas saistīts ar kodiem un šifriem, bija stingri klasificēts. Un daudzu Koteļņikova darbu atklātas publikācijas nevarēja būt. Tomēr viņš strādāja, lai izveidotu slēgtus saziņas kanālus, kuru kodus ienaidnieks nevarēja uzlauzt.
1941. gada 18. jūnijā, gandrīz pirms kara, tapa Koteļņikova raksts "Automātiskās šifrēšanas pamati", kas publicēts 2006. gada krājumā "Kvantu kriptogrāfija un Koteļņikova teorēma par vienreizējām atslēgām un rādījumiem".
Trokšņu noturība
Ar Koteļņikova darba palīdzību tika izstrādāta potenciālās trokšņu imunitātes teorija, kas nosaka maksimālo traucējumu apjomu, kāds var būt sakaru kanālā, lai informācija nepazustu. Tiek izskatīts ideāla uztvērēja variants, kas ir tālu no reālā. Taču ir skaidri noteikti veidi, kā uzlabot saziņas kanālu.
Kosmosa izpēte
Koteļņikova vadītā komanda sniedza lielu ieguldījumu kosmosa sakaru, automatizācijas un telemetrijas sistēmās. Sergejs Pavlovičs Koroļovs kosmosa nozares problēmu risināšanā iesaistīja Koteļņikova laboratoriju.
Tika izveidoti desmitiem kontroles un mērīšanas punktu, kas saistīti vienā vadības un mērīšanas kompleksā.
Tika izstrādāts radaru aprīkojums starpplanētu kosmosa stacijām, kartēšana veikta planētas Venēras necaurredzamajā atmosfērā. Ar Koteļņikova vadībā izstrādāto ierīču palīdzību tika veiktas kosmosa stacijas "Venera" un "Magellan".planētas radara zonas iepriekš noteiktos sektoros. Rezultātā mēs zinām, kas uz Veneras slēpjas aiz blīviem mākoņiem. Tika izpētīts arī Marss, Jupiters, Merkurs.
Koteļņikova sasniegumi ir atraduši pielietojumu orbitālajās stacijās un mūsdienu radioteleskopos.
1998. gadā V. A. Koteļņikovam tika piešķirta fon Karmana balva. Šī ir Starptautiskās Astronautikas akadēmijas balva, kas tiek piešķirta cilvēkiem ar radošu domāšanu par nozīmīgu ieguldījumu kosmosa izpētē.
Meklēt radio signālus no ārpuszemes civilizācijām
Starptautiskā programma ārpuszemes civilizāciju Seti radio signālu meklēšanai, izmantojot lielākos radioteleskopus, tika uzsākta 90. gados. Tieši Koteļņikovs pamatoja nepieciešamību šim nolūkam izmantot daudzkanālu uztvērējus. Mūsdienu uztvērēji vienlaikus klausās miljoniem radio kanālu, aptverot visu iespējamo diapazonu.
Tāpat viņa vadībā tika veikts darbs, kas nosaka kritērijus saprātīgam šaurjoslas signālam vispārējā trokšņa un traucējumos.
Diemžēl līdz šim šī meklēšana nav bijusi veiksmīga. Taču vēstures mērogā tās tiek vadītas ļoti īsu laiku.
Koteļņikova teorēma attiecas uz fundamentāliem atklājumiem zinātnē. To var droši pielīdzināt Pitagora, Eilera, Gausa, Lorenca uc teorēmām.
Katrā jomā, kur nepieciešams pārraidīt vai saņemt jebkādus elektromagnētiskos signālus, mēs apzināti vai neapzināti izmantojam Koteļņikova teorēmu. Mēs runājam pa telefonu, skatāmies TVklausīties radio, izmantot internetu. Tas viss pamatā satur signālu iztveršanas principu.
