Na konci devätnásteho a začiatku dvadsiateho storočia sa telefónna a rádiová komunikácia rýchlo rozvíjali. V roku 1882 bola v Petrohrade spustená prvá telefónna ústredňa v Rusku. Táto stanica mala 259 predplatiteľov. A v Moskve bolo približne v rovnakom čase 200 predplatiteľov.
V roku 1896 Alexander Popov vyslal prvý rádiový signál na vzdialenosť 250 metrov, ktorý pozostával iba z dvoch slov: „Heinrich Hertz“.
Vývoj komunikácií bol v popredí technologického pokroku. Odvtedy prešlo niečo viac ako storočie a vďaka práci vedcov a inžinierov v tomto odvetví vidíme, ako sa svet zmenil.
Nevieme si predstaviť svoj život bez telefónov, rádiovej komunikácie, televízie a internetu. Tá je založená na šírení elektromagnetických vĺn, ktorých teóriu vypracoval James Clerk Maxwell v polovici devätnásteho storočia. Elektromagnetické vlny sú nositeľmi užitočných signálov a v teórii prenosu signálov hrá zásadnú úlohu veta ruského vedca a inžiniera, akademika Vladimira Alexandroviča Kotelnikova.
Do vedy vstúpila pod názvom Kotelnikovovej vety.
Vladimir AleksandrovichKotelnikov
Budúci akademik sa narodil v roku 1908 v rodine učiteľov Kazanskej univerzity. Študovala na škole MVTU im. Bauman navštevoval zaujímavé prednášky na Moskovskej štátnej univerzite. V roku 1930 sa elektrotechnická fakulta, na ktorej Kotelnikov študoval, pretransformovala na Moskovský energetický inštitút a Kotelnikov ju absolvoval. Po ukončení štúdia pracoval na rôznych univerzitách a v laboratóriách. Počas vojny viedol laboratórium uzavretého výskumného ústavu v Ufe, kde sa zaoberal otázkami bezpečných komunikačných kanálov a kódovania správ.
Približne takýto vývoj uvádza Solženicyn vo svojom románe „V prvom kruhu“.
Asi štyridsať rokov viedol Katedru „Základov rádiotechniky“a bol dekanom Rádiotechniky. Neskôr sa stal riaditeľom Ústavu rádiotechniky a elektroniky Akadémie vied ZSSR.
Všetci študenti príslušných odborov stále študujú podľa Kotelnikovovej učebnice "Teoretické základy rádiotechniky".
Kotelnikov sa zaoberal aj problémami rádioastronómie, rádiofyzikálnym výskumom oceánov a vesmírnym výskumom.
Nestihol zverejniť svoje posledné dielo „Model Quantum Mechanics“, ktoré napísal už vo veku takmer 97 rokov. Vyšlo až v roku 2008
V. A. Kotelnikov zomrel vo veku 97 rokov 11. februára 2005. Bol dvakrát hrdinom socialistickej práce, získal mnoho vládnych ocenení. Jedna z malých planét je pomenovaná po ňom.
Kotelnikovova veta
Vývoj komunikačných systémovvyvoláva množstvo teoretických otázok. Napríklad signály v akom frekvenčnom rozsahu môžu byť prenášané cez komunikačné kanály, s rôznou fyzickou štruktúrou, s rôznou šírkou pásma, aby sa počas príjmu nestratili informácie.
V roku 1933 Kotelnikov dokázal svoju vetu, ktorá sa inak nazýva vzorkovacia veta.
Formulácia Kotelnikovovej vety:
Ak má analógový signál konečné (obmedzenú šírku) spektrum, potom ho možno jednoznačne a bez straty zrekonštruovať z jeho diskrétnych vzoriek odobratých pri frekvencii striktne vyššej ako dvojnásobok hornej frekvencie.
Opisuje ideálny prípad, keď je doba trvania signálu nekonečná. Nemá žiadne prerušenia, ale má obmedzené spektrum (podľa Kotelnikovovej vety). Matematický model popisujúci signály s obmedzeným spektrom je však v praxi dobre použiteľný na reálne signály.
Na základe Kotelnikovovej vety je možné implementovať metódu pre diskrétny prenos spojitých signálov.
Fyzikálny význam vety
Kotelnikovovu vetu možno jednoducho vysvetliť nasledovne. Ak potrebujete preniesť určitý signál, potom nie je potrebné prenášať ho celý. Môžete prenášať jeho okamžité impulzy. Prenosová frekvencia týchto impulzov sa v Kotelnikovovej vete nazýva vzorkovacia frekvencia. Mala by byť dvojnásobkom hornej frekvencie spektra signálu. V tomto prípade sa na prijímacej strane signál obnoví bez skreslenia.
Kotelnikovova veta vyvodzuje veľmi dôležité závery o diskretizácii. Pre rôzne typy signálov existujú rôzne vzorkovacie frekvencie. Pre hlasovú (telefónnu) správu so šírkou kanála 3,4 kHz - 6,8 kHz a pre televízny signál - 16 MHz.
V teórii komunikácie existuje niekoľko typov komunikačných kanálov. Na fyzickej úrovni - drôtové, akustické, optické, infračervené a rádiové kanály. A hoci bola veta vyvinutá pre ideálny komunikačný kanál, je použiteľná pre všetky ostatné typy kanálov.
Multikanálové telekomunikácie
Kotelnikovova veta je základom viackanálových telekomunikácií. Pri vzorkovaní a prenose impulzov je obdobie medzi impulzmi oveľa väčšie ako ich trvanie. To znamená, že v intervaloch impulzov jedného signálu (toto sa nazýva pracovný cyklus) je možné prenášať impulzy iného signálu. Boli implementované systémy pre 12, 15, 30, 120, 180, 1920 hlasových kanálov. To znamená, že cez jeden pár káblov je možné súčasne preniesť približne 2 000 telefonických rozhovorov.
Na základe Kotelnikovovej vety, jednoducho povedané, vznikli takmer všetky moderné komunikačné systémy.
Harry Nyquist
Ako to niekedy vo vede býva, vedci zaoberajúci sa podobnými problémami dospejú takmer súčasne k rovnakým záverom. To je celkom prirodzené. Doteraz neutíchli spory o tom, kto objavil zákon zachovania - Lomonosov alebo Lavoisier, kto vynašiel žiarovku - Yablochkin alebo Edison, kto vynašiel rádio - Popov alebo Marconi. Tento zoznam je nekonečný.
Áno,Americký fyzik švédskeho pôvodu Harry Nyquist v roku 1927 v časopise „Certain Problems of Telegraph Transmission“publikoval svoj výskum s podobnými závermi ako Kotelnikov. Jeho veta sa niekedy nazýva Kotelnikov-Nyquistova veta.
Harry Nyquist sa narodil v roku 1907, získal doktorát na Yale University a pracoval v Bell Labs. Tam študoval problémy tepelného šumu v zosilňovačoch, podieľal sa na vývoji prvého fototelegrafu. Jeho diela slúžili ako základ pre ďalší vývoj Clauda Shannona. Nyquist zomrel v roku 1976
Claude Shannon
Claude Shannon je niekedy označovaný za otca informačného veku – taký veľký je jeho prínos k teórii komunikácie a počítačovej vede. Claude Shannon sa narodil v roku 1916 v USA. Pôsobil v Bell Lab a na viacerých amerických univerzitách. Počas vojny spolupracoval s Alanom Turingom na rozlúštení kódov nemeckých ponoriek.
V roku 1948 v článku „Matematická teória komunikácie“navrhol termín bit ako označenie minimálnej jednotky informácie. V roku 1949 dokázal (nezávisle od Kotelnikova) vetu venovanú rekonštrukcii signálu z jeho diskrétnych vzoriek. Niekedy sa nazýva aj Kotelnikov-Shannonova veta. Pravda, na Západe je viac akceptovaný názov Nyquist-Shannonovej vety.
Shannon zaviedol pojem entropia do teórie komunikácie. Študoval som kódy. Vďaka jeho práci sa kryptografia stala plnohodnotnou vedou.
Kotelnikov a kryptografia
Kotelnikov sa zaoberal aj problémami kódov akryptografia. Bohužiaľ, v časoch ZSSR bolo všetko, čo súviselo s kódmi a šiframi, prísne utajované. A otvorené publikácie mnohých Kotelnikovových diel nemohli byť. Pracoval však na vytvorení uzavretých komunikačných kanálov, ktorých kódy nepriateľ nedokázal prelomiť.
18. júna 1941, takmer pred vojnou, bol napísaný Kotelnikovov článok „Základy automatického šifrovania“, publikovaný v roku 2006 v zbierke „Kvantová kryptografia a Kotelnikovova veta o jednorazových kľúčoch a čítaniach“.
Imunita proti hluku
S pomocou Kotelnikovovej práce bola vyvinutá teória potenciálnej odolnosti voči šumu, ktorá určuje maximálne množstvo rušenia, ktoré môže byť v komunikačnom kanáli, aby nedošlo k strate informácií. Do úvahy prichádza variant ideálneho prijímača, ktorý má ďaleko od toho skutočného. Ale spôsoby, ako zlepšiť komunikačný kanál, sú jasne definované.
Prieskum vesmíru
Tím vedený Kotelnikovom výrazne prispel k systémom vesmírnej komunikácie, automatizácie a telemetrie. Sergej Pavlovič Korolev zapojil Kotelnikovovo laboratórium do riešenia problémov vesmírneho priemyslu.
Vybudovali sa desiatky kontrolných a meracích bodov, ktoré boli prepojené do jedného kontrolného a meracieho komplexu.
Bolo vyvinuté radarové zariadenie pre medziplanetárne vesmírne stanice, mapovanie prebiehalo v nepriehľadnej atmosfére planéty Venuša. Pomocou zariadení vyvinutých pod vedením Kotelnikova vykonali vesmírne stanice "Venera" a "Magellan"radarové oblasti planéty vo vopred určených sektoroch. Vďaka tomu vieme, čo sa na Venuši skrýva za hustými mrakmi. Boli tiež preskúmané Mars, Jupiter a Merkúr.
Kotelnikovov vývoj našiel uplatnenie v orbitálnych staniciach a moderných rádioteleskopoch.
V. A. Kotelnikov získal v roku 1998 von Karmanovu cenu. Ide o ocenenie Medzinárodnej akadémie astronautiky, ktoré sa udeľuje ľuďom s kreatívnym myslením za významný prínos k výskumu vesmíru.
Vyhľadávanie rádiových signálov z mimozemských civilizácií
Medzinárodný program na vyhľadávanie rádiových signálov mimozemských civilizácií Seti pomocou najväčších rádioteleskopov bol spustený v 90. rokoch. Bol to Kotelnikov, ktorý odôvodnil potrebu použitia viackanálových prijímačov na tento účel. Moderné prijímače počúvajú milióny rádiových kanálov súčasne a pokrývajú celý možný rozsah.
Pod jeho vedením boli tiež vykonané práce, ktoré definujú kritériá pre primeraný úzkopásmový signál vo všeobecnom šume a interferencii.
Bohužiaľ, toto vyhľadávanie zatiaľ nebolo úspešné. Ale v historickom meradle sa vykonávajú na veľmi krátky čas.
Kotelnikovova veta sa vzťahuje na zásadné objavy vo vede. Dá sa bezpečne postaviť na roveň Pythagorovým, Eulerovým, Gaussovým, Lorentzovým teorémom atď.
V každej oblasti, kde je potrebné vysielať alebo prijímať akékoľvek elektromagnetické signály, vedome alebo nevedome používame Kotelnikovovu vetu. Telefonujeme, pozeráme televíziupočúvajte rádio, používajte internet. Toto všetko v podstate obsahuje princíp vzorkovania signálov.
