Aan het einde van de negentiende en het begin van de twintigste eeuw ontwikkelde de telefoon- en radiocommunicatie zich snel. In 1882 werd de eerste telefooncentrale in Rusland gelanceerd in St. Petersburg. Dit station had 259 abonnees. En in Moskou waren er rond dezelfde tijd 200 abonnees.
In 1896 zond Alexander Popov het eerste radiosignaal uit over een afstand van 250 meter, bestaande uit slechts twee woorden: "Heinrich Hertz".
De ontwikkeling van communicatie heeft een voortrekkersrol gespeeld bij de technologische vooruitgang. Sindsdien is er iets meer dan een eeuw verstreken en dankzij het werk van wetenschappers en ingenieurs in deze industrie zien we hoe de wereld is veranderd.
We kunnen ons leven niet voorstellen zonder telefoons, radiocommunicatie, televisie en internet. Dit is gebaseerd op de voortplanting van elektromagnetische golven, waarvan de theorie in het midden van de negentiende eeuw werd ontwikkeld door James Clerk Maxwell. Elektromagnetische golven zijn de drager van bruikbare signalen, en in de theorie van signaaloverdracht speelt de stelling van de Russische wetenschapper en ingenieur, academicus Vladimir Aleksandrovitsj Kotelnikov een fundamentele rol.
Het kwam de wetenschap binnen onder de naam van de stelling van Kotelnikov.
Vladimir AleksandrovichKotelnikov
De toekomstige academicus werd in 1908 geboren in een familie van leraren aan de Kazan-universiteit. Heeft gestudeerd aan MVTU im. Bauman, woonde voor hem interessante lezingen bij aan de Staatsuniversiteit van Moskou. In 1930 werd de faculteit elektrotechniek, waar Kotelnikov studeerde, omgevormd tot het Moscow Power Engineering Institute en Kotelnikov studeerde er af. Na zijn afstuderen werkte hij in verschillende universiteiten en laboratoria. Tijdens de oorlog leidde hij het laboratorium van een gesloten onderzoeksinstituut in Oefa, waar hij zich bezighield met kwesties van veilige communicatiekanalen en berichtcodering.
Ongeveer dergelijke ontwikkelingen worden genoemd door Solzjenitsyn in zijn roman "In de eerste cirkel".
Gedurende ongeveer veertig jaar was hij verantwoordelijk voor de afdeling "Fundamentals of Radio Engineering", en was de decaan van de faculteit Radio Engineering. Later werd hij directeur van het Institute of Radio Engineering and Electronics van de USSR Academy of Sciences.
Alle studenten van de relevante specialiteiten studeren nog steeds volgens Kotelnikov's leerboek "Theoretical Foundations of Radio Engineering".
Kotelnikov hield zich ook bezig met de problemen van radioastronomie, radiofysisch onderzoek van de oceanen en ruimteonderzoek.
Hij had geen tijd om zijn laatste werk "Model Quantum Mechanics", dat al op bijna 97-jarige leeftijd was geschreven, te publiceren. Het kwam pas uit in 2008
V. A. Kotelnikov stierf op 97-jarige leeftijd op 11 februari 2005. Hij was twee keer een held van socialistische arbeid en ontving vele overheidsprijzen. Een van de kleine planeten is naar hem vernoemd.
De stelling van Kotelnikov
Ontwikkeling van communicatiesystemenroept veel theoretische vragen op. Bijvoorbeeld signalen van welk frequentiebereik kunnen worden verzonden via communicatiekanalen, van verschillende fysieke structuur, met verschillende bandbreedte, om geen informatie te verliezen tijdens ontvangst.
In 1933 bewees Kotelnikov zijn stelling, die ook wel de steekproefstelling wordt genoemd.
Formulering van de stelling van Kotelnikov:
Als een analoog signaal een eindig (beperkt in breedte) spectrum heeft, kan het ondubbelzinnig en zonder verlies worden gereconstrueerd uit de discrete monsters die zijn genomen op een frequentie die strikt hoger is dan tweemaal de bovenste frequentie.
Beschrijft het ideale geval wanneer de signaalduur oneindig is. Het heeft geen onderbrekingen, maar het heeft een beperkt spectrum (volgens de stelling van Kotelnikov). Het wiskundige model dat signalen met een beperkt spectrum beschrijft, is echter in de praktijk goed toepasbaar op echte signalen.
Op basis van de stelling van Kotelnikov kan een methode voor discrete transmissie van continue signalen worden geïmplementeerd.
Fysieke betekenis van de stelling
De stelling van Kotelnikov kan als volgt in eenvoudige bewoordingen worden uitgelegd. Als je een bepaald signaal moet uitzenden, dan is het niet nodig om het in zijn geheel uit te zenden. Je kunt zijn onmiddellijke impulsen doorgeven. De transmissiefrequentie van deze pulsen wordt de bemonsteringsfrequentie genoemd in de stelling van Kotelnikov. Het moet tweemaal de bovenste frequentie van het signaalspectrum zijn. In dit geval wordt het signaal aan de ontvangende kant hersteld zonder vervorming.
De stelling van Kotelnikov trekt zeer belangrijke conclusies over discretisatie. Er zijn verschillende bemonsteringsfrequenties voor verschillende soorten signalen. Voor een spraak (telefoon) bericht met een kanaalbreedte van 3,4 kHz - 6,8 kHz, en voor een televisiesignaal - 16 MHz.
In de communicatietheorie zijn er verschillende soorten communicatiekanalen. Op fysiek niveau - bekabelde, akoestische, optische, infrarood- en radiokanalen. En hoewel de stelling is ontwikkeld voor een ideaal communicatiekanaal, is het van toepassing op alle andere soorten kanalen.
Multichannel telecommunicatie
De stelling van Kotelnikov ligt ten grondslag aan multichannel telecommunicatie. Bij het bemonsteren en verzenden van pulsen is de periode tussen pulsen veel groter dan hun duur. Dit betekent dat het in de intervallen van pulsen van het ene signaal (dit wordt duty cycle genoemd) mogelijk is om pulsen van een ander signaal uit te zenden. Systemen voor 12, 15, 30, 120, 180, 1920 spraakkanalen werden geïmplementeerd. Dat wil zeggen dat er ongeveer 2000 telefoongesprekken gelijktijdig via één paar draden kunnen worden verzonden.
Gebaseerd op de stelling van Kotelnikov, in eenvoudige bewoordingen, zijn bijna alle moderne communicatiesystemen ontstaan.
Harry Nyquist
Zoals soms het geval is in de wetenschap, komen wetenschappers die met soortgelijke problemen te maken hebben, bijna gelijktijdig tot dezelfde conclusies. Dit is heel natuurlijk. Tot nu toe zijn de geschillen niet verdwenen over wie de wet van behoud heeft ontdekt - Lomonosov of Lavoisier, die de gloeilamp uitvond - Yablochkin of Edison, die de radio uitvond - Popov of Marconi. Deze lijst is eindeloos.
Ja,De Amerikaanse natuurkundige van Zweedse afkomst Harry Nyquist publiceerde in 1927 in het tijdschrift "Certain Problems of Telegraph Transmission" zijn onderzoek met soortgelijke conclusies als die van Kotelnikov. Zijn stelling wordt soms de stelling van Kotelnikov-Nyquist genoemd.
Harry Nyquist werd geboren in 1907, promoveerde aan Yale University en werkte bij Bell Labs. Daar bestudeerde hij de problemen van thermische ruis in versterkers, nam hij deel aan de ontwikkeling van de eerste fototelegraaf. Zijn werken vormden de basis voor de verdere ontwikkeling van Claude Shannon. Nyquist stierf in 1976
Claude Shannon
Claude Shannon wordt soms de vader van het informatietijdperk genoemd - zo groot is zijn bijdrage aan de theorie van communicatie en informatica. Claude Shannon werd in 1916 in de VS geboren. Hij werkte bij het Bell Lab en bij een aantal Amerikaanse universiteiten. Tijdens de oorlog werkte hij samen met Alan Turing om de codes van Duitse onderzeeërs te ontcijferen.
In 1948 stelde hij in het artikel "Mathematical Theory of Communication" de term bit voor als een aanduiding van de minimale eenheid van informatie. In 1949 bewees hij (onafhankelijk van Kotelnikov) een stelling gewijd aan de reconstructie van een signaal uit zijn discrete monsters. Het wordt soms de stelling van Kotelnikov-Shannon genoemd. Toegegeven, in het Westen wordt de naam van de stelling van Nyquist-Shannon meer geaccepteerd.
Shannon introduceerde het concept van entropie in de communicatietheorie. Ik heb codes gestudeerd. Dankzij zijn werk is cryptografie een volwaardige wetenschap geworden.
Kotelnikov en cryptografie
Kotelnikov behandelde ook problemen met codes encryptografie. Helaas was in de dagen van de USSR alles wat met codes en cijfers te maken had strikt geheim. En open publicaties van veel van Kotelnikovs werken konden dat niet zijn. Hij werkte echter aan het creëren van gesloten communicatiekanalen, waarvan de vijand de codes niet kon kraken.
18 juni 1941, bijna voor de oorlog, werd Kotelnikovs artikel "Basis van automatische versleuteling" geschreven, gepubliceerd in de collectie "Quantum cryptografie en Kotelnikov's theorema on one-time keys and readings" uit 2006.
Ruisimmuniteit
Met behulp van het werk van Kotelnikov is een theorie van potentiële ruisimmuniteit ontwikkeld, die de maximale hoeveelheid interferentie bepa alt die in een communicatiekanaal kan zijn, zodat informatie niet verloren gaat. Een variant van een ideale ontvanger, die verre van de echte is, wordt overwogen. Maar manieren om het communicatiekanaal te verbeteren zijn duidelijk gedefinieerd.
Ruimteverkenning
Het team onder leiding van Kotelnikov heeft een grote bijdrage geleverd aan de systemen voor ruimtecommunicatie, automatisering en telemetrie. Sergei Pavlovich Korolev betrok het Kotelnikov-laboratorium bij het oplossen van de problemen van de ruimtevaartindustrie.
Er werden tientallen controle- en meetpunten gebouwd, gekoppeld aan één enkel controle- en meetcomplex.
Radarapparatuur voor interplanetaire ruimtestations werd ontwikkeld, kartering werd uitgevoerd in de ondoorzichtige atmosfeer van de planeet Venus. Met behulp van apparaten ontwikkeld onder leiding van Kotelnikov, werden de ruimtestations "Venera" en "Magellan" uitgevoerdradargebieden van de planeet in vooraf bepaalde sectoren. Daardoor weten we wat er achter dichte wolken op Venus verborgen is. Mars, Jupiter en Mercurius werden ook verkend.
Kotelnikovs ontwikkelingen zijn toegepast in orbitale stations en moderne radiotelescopen.
In 1998 ontving V. A. Kotelnikov de Von Karman-prijs. Dit is een onderscheiding van de International Academy of Astronautics, die wordt uitgereikt aan mensen met creatief denken voor een belangrijke bijdrage aan ruimteonderzoek.
Zoeken naar radiosignalen van buitenaardse beschavingen
Het internationale programma voor het zoeken naar radiosignalen van buitenaardse beschavingen Seti met behulp van de grootste radiotelescopen werd in de jaren '90 gelanceerd. Het was Kotelnikov die de noodzaak rechtvaardigde om voor dit doel meerkanaalsontvangers te gebruiken. Moderne ontvangers luisteren gelijktijdig naar miljoenen radiokanalen, die het hele mogelijke bereik bestrijken.
Ook onder zijn leiding is werk verricht dat de criteria definieert voor een redelijk smalbandsignaal bij algemene ruis en interferentie.
Helaas is deze zoektocht tot nu toe niet gelukt. Maar op de schaal van de geschiedenis worden ze voor een zeer korte tijd uitgevoerd.
De stelling van Kotelnikov verwijst naar fundamentele ontdekkingen in de wetenschap. Het kan veilig worden gelijkgesteld met de stellingen van Pythagoras, Euler, Gauss, Lorentz, enz.
Op elk gebied waar het nodig is om elektromagnetische signalen te verzenden of te ontvangen, gebruiken we bewust of onbewust de stelling van Kotelnikov. We praten aan de telefoon, kijken tvnaar de radio luisteren, internetten. Dit alles bevat in principe het principe van het bemonsteren van signalen.
