Krajem devetnaestog i početkom dvadesetog stoljeća telefonske i radijske komunikacije brzo su se razvijale. Godine 1882. u Sankt Peterburgu je pokrenuta prva telefonska centrala u Rusiji. Ova stanica je imala 259 pretplatnika. A u Moskvi je otprilike u isto vrijeme bilo 200 pretplatnika.
Godine 1896., Alexander Popov odašilje prvi radio signal na udaljenosti od 250 metara, koji se sastoji od samo dvije riječi: "Heinrich Hertz".
Razvoj komunikacija bio je na čelu tehnološkog napretka. Od tada je prošlo nešto više od stoljeća, a zahvaljujući radu znanstvenika i inženjera u ovoj industriji, vidimo kako se svijet promijenio.
Ne možemo zamisliti svoj život bez telefona, radijskih komunikacija, televizije i interneta. To se temelji na širenju elektromagnetskih valova, čiju je teoriju razvio James Clerk Maxwell sredinom devetnaestog stoljeća. Elektromagnetski valovi su nositelji korisnih signala, a u teoriji prijenosa signala temeljnu ulogu igra teorem ruskog znanstvenika i inženjera, akademika Vladimira Aleksandroviča Kotelnikova.
Ušao je u znanost pod imenom Kotelnikovljev teorem.
Vladimir AleksandrovičKotelnikov
Budući akademik rođen je 1908. godine u obitelji nastavnika Kazanskog sveučilišta. Studirao na MVTU im. Baumana, pohađao je predavanja koja su ga zanimala na Moskovskom državnom sveučilištu. Godine 1930. Elektrotehnički fakultet, na kojem je studirao Kotelnikov, pretvoren je u Moskovski energetski institut, a Kotelnikov ga je diplomirao. Nakon diplome radio je na raznim sveučilištima i laboratorijima. Tijekom rata vodio je laboratorij zatvorenog istraživačkog instituta u Ufi, gdje se bavio pitanjima sigurnih komunikacijskih kanala i kodiranja poruka.
Približno takav razvoj događaja spominje Solženjicin u svom romanu "U prvom krugu".
Četrdesetak godina bio je na čelu Katedre za "Osnove radiotehnike", a bio je i dekan Radiotehničkog fakulteta. Kasnije je postao direktor Instituta za radiotehniku i elektroniku Akademije znanosti SSSR-a.
Svi studenti relevantnih specijalnosti još uvijek studiraju prema Kotelnikovovom udžbeniku "Teorijske osnove radiotehnike".
Kotelnikov se bavio i problemima radioastronomije, radiofizičkih istraživanja oceana i svemirskih istraživanja.
Nije stigao objaviti svoje posljednje djelo "Model Quantum Mechanics", napisano već u dobi od skoro 97 godina. Izašao je tek 2008.
V. A. Kotelnikov umro je u dobi od 97 godina 11. veljače 2005. Dvaput je bio heroj socijalističkog rada, nagrađen mnogim vladinim nagradama. Jedan od manjih planeta nazvan je po njemu.
Kotelnikovov teorem
Razvoj komunikacijskih sustavapostavlja mnoga teorijska pitanja. Na primjer, signali kojeg frekvencijskog raspona mogu se prenositi komunikacijskim kanalima, različite fizičke strukture, s različitom širinom pojasa, kako se ne bi izgubile informacije tijekom prijema.
Godine 1933. Kotelnikov je dokazao svoj teorem, koji se inače naziva teorem uzorkovanja.
Formulacija Kotelnikovovog teorema:
Ako analogni signal ima konačan (ograničen širinom) spektar, tada se može rekonstruirati nedvosmisleno i bez gubitka iz njegovih diskretnih uzoraka uzetih na frekvenciji koja je strogo veća od dvostruke gornje frekvencije.
Opisuje idealan slučaj kada je vrijeme trajanja signala beskonačno. Nema prekida, ali ima ograničen spektar (prema Kotelnikovom teoremu). Međutim, matematički model koji opisuje signale ograničenog spektra dobro je primjenjiv u praksi na stvarne signale.
Na temelju Kotelnikovog teorema, može se implementirati metoda za diskretni prijenos kontinuiranih signala.
Fizičko značenje teorema
Kotelnikovov teorem može se jednostavno objasniti na sljedeći način. Ako trebate prenijeti određeni signal, onda ga nije potrebno prenijeti u cijelosti. Možete prenijeti njegove trenutne impulse. Frekvencija prijenosa ovih impulsa naziva se frekvencijom uzorkovanja u Kotelnikovom teoremu. Trebao bi biti dvostruko veći od gornje frekvencije spektra signala. U ovom slučaju, na kraju prijema signal se vraća bez izobličenja.
Kotelnikovov teorem donosi vrlo važne zaključke o diskretizaciji. Postoje različite stope uzorkovanja za različite vrste signala. Za glasovnu (telefonsku) poruku širine kanala od 3,4 kHz - 6,8 kHz, a za televizijski signal - 16 MHz.
U teoriji komunikacije postoji nekoliko vrsta komunikacijskih kanala. Na fizičkoj razini - žičani, akustični, optički, infracrveni i radio kanali. I iako je teorem razvijen za idealan komunikacijski kanal, primjenjiv je na sve druge vrste kanala.
Višekanalne telekomunikacije
Kotelnikov teorem leži u osnovi višekanalnih telekomunikacija. Prilikom uzorkovanja i odašiljanja impulsa, period između impulsa je mnogo veći od njihovog trajanja. To znači da je u intervalima impulsa jednog signala (to se naziva radni ciklus) moguće odašiljati impulse drugog signala. Implementirani su sustavi za 12, 15, 30, 120, 180, 1920 glasovnih kanala. To jest, oko 2000 telefonskih razgovora može se prenijeti istovremeno preko jednog para žica.
Na temelju Kotelnikovog teorema, jednostavnim riječima, nastali su gotovo svi moderni komunikacijski sustavi.
Harry Nyquist
Kao što je ponekad slučaj u znanosti, znanstvenici koji se bave sličnim problemima gotovo istovremeno dolaze do istih zaključaka. Ovo je sasvim prirodno. Do sada se ne stišaju sporovi o tome tko je otkrio zakon očuvanja - Lomonosov ili Lavoisier, tko je izumio žarulju sa žarnom niti - Yablochkin ili Edison, tko je izumio radio - Popov ili Marconi. Ovaj popis je beskonačan.
Da,Američki fizičar švedskog podrijetla Harry Nyquist 1927. godine u časopisu "Sertain Problems of Telegraph Transmission" objavio je svoje istraživanje sa zaključcima sličnim Kotelnikovovim. Njegov se teorem ponekad naziva Kotelnikov-Nyquist teorem.
Harry Nyquist rođen je 1907., doktorirao je na Sveučilištu Yale i radio u Bell Labsu. Tamo je proučavao probleme toplinskog šuma u pojačalima, sudjelovao u razvoju prvog fototelegrafa. Njegova su djela poslužila kao osnova za daljnji razvoj Claudea Shannona. Nyquist je preminuo 1976.
Claude Shannon
Claudea Shannona ponekad nazivaju ocem informacijskog doba - toliko je velik njegov doprinos teoriji komunikacije i informatici. Claude Shannon rođen je 1916. godine u SAD-u. Radio je u Bell Labu i na brojnim američkim sveučilištima. Tijekom rata radio je s Alanom Turingom na dešifriranju kodova njemačkih podmornica.
1948. godine, u članku "Matematička teorija komunikacije", predložio je termin bit kao oznaku minimalne jedinice informacije. Godine 1949. dokazao je (neovisno o Kotelnikovu) teorem posvećen rekonstrukciji signala iz njegovih diskretnih uzoraka. Ponekad se naziva Kotelnikov-Shannonov teorem. Istina, na Zapadu je naziv Nyquist-Shannonovog teorema prihvatljiviji.
Shannon je uvela koncept entropije u teoriju komunikacije. Proučavao sam šifre. Zahvaljujući njegovom radu, kriptografija je postala punopravna znanost.
Kotelnikov i kriptografija
Kotelnikov se također bavio problemima kodova ikriptografija. Nažalost, u vrijeme SSSR-a sve što se odnosilo na šifre i šifre bilo je strogo povjerljivo. I otvorene publikacije mnogih Kotelnikovih djela nisu mogle biti. Međutim, radio je na stvaranju zatvorenih komunikacijskih kanala čije kodove neprijatelj nije mogao probiti.
18. lipnja 1941., gotovo prije rata, napisan je Kotelnikov članak "Osnove automatskog šifriranja", objavljen u zbirci iz 2006. "Kvantna kriptografija i Kotelnikovov teorem o jednokratnim ključevima i očitanjima".
Imunitet na buku
Uz pomoć Kotelnikova rada razvijena je teorija potencijalne imunosti na buku koja određuje maksimalnu količinu smetnji koja može biti u komunikacijskom kanalu kako se informacije ne bi izgubile. Razmatra se varijanta idealnog prijemnika, koja je daleko od pravog. Ali načini poboljšanja komunikacijskog kanala jasno su definirani.
Istraživanje svemira
Tim pod vodstvom Kotelnikova dao je veliki doprinos sustavima svemirskih komunikacija, automatizacije i telemetrije. Sergej Pavlovič Koroljev uključio je laboratorij Kotelnikov u rješavanje problema svemirske industrije.
Izgrađeni su deseci kontrolnih i mjernih točaka, povezanih u jedan kompleks kontrole i mjerenja.
Radarska oprema za međuplanetarne svemirske stanice je razvijena, mapiranje je provedeno u neprozirnoj atmosferi planeta Venere. Uz pomoć uređaja razvijenih pod vodstvom Kotelnikova, svemirske stanice "Venera" i "Magellan" izvele suradarska područja planeta u unaprijed određenim sektorima. Kao rezultat toga, znamo što je skriveno na Veneri iza gustih oblaka. Istraženi su i Mars, Jupiter, Merkur.
Kotelnikovi razvoji našli su primjenu u orbitalnim stanicama i modernim radio-teleskopima.
Godine 1998., V. A. Kotelnikov je nagrađen von Karmanovom nagradom. Ovo je nagrada Međunarodne akademije za astronautiku koja se dodjeljuje ljudima s kreativnim razmišljanjem za značajan doprinos istraživanju svemira.
Traži radio signale izvanzemaljskih civilizacija
Međunarodni program za traženje radio signala izvanzemaljskih civilizacija Seti pomoću najvećih radioteleskopa pokrenut je 90-ih godina. Kotelnikov je opravdao potrebu za korištenjem višekanalnih prijemnika u tu svrhu. Moderni prijemnici slušaju milijune radijskih kanala istovremeno, pokrivajući cijeli mogući raspon.
Također, pod njegovim vodstvom, obavljen je rad koji definira kriterije za razuman uskopojasni signal u općoj buci i smetnjama.
Nažalost, ova pretraga do sada nije bila uspješna. Ali na ljestvici povijesti, provode se vrlo kratko.
Kotelnikovov teorem odnosi se na temeljna otkrića u znanosti. Može se sigurno staviti u ravan s Pitagorinim teoremima, Eulerom, Gaussom, Lorentzom, itd.
U svakom području gdje je potrebno odašiljati ili primati bilo kakve elektromagnetske signale, svjesno ili nesvjesno koristimo Kotelnikov teorem. Razgovaramo telefonom, gledamo TVslušajte radio, koristite internet. Sve ovo u osnovi sadrži princip uzorkovanja signala.
