19. sajandi lõpus ja 20. sajandi alguses arenes telefoni- ja raadioside kiiresti. 1882. aastal käivitati Peterburis esimene telefonikeskjaam Venemaal. Sellel jaamal oli 259 abonenti. Ja Moskvas oli umbes samal ajal 200 tellijat.
Aastal 1896 edastas Aleksander Popov 250 meetri kaugusele esimese raadiosignaali, mis koosnes ainult kahest sõnast: "Heinrich Hertz".
Side areng on olnud tehnoloogilise arengu esirinnas. Sellest ajast on möödunud veidi rohkem kui sajand ning tänu teadlaste ja inseneride tööle selles valdkonnas näeme, kuidas maailm on muutunud.
Me ei kujuta oma elu ette ilma telefonide, raadioside, televisiooni ja Internetita. See põhineb elektromagnetlainete levikul, mille teooria töötas välja James Clerk Maxwell 19. sajandi keskel. Elektromagnetlained on kasulike signaalide kandjad ning signaali edastamise teoorias mängib olulist rolli vene teadlase ja inseneri, akadeemiku Vladimir Aleksandrovitš Kotelnikovi teoreem.
See sisenes teadusesse Kotelnikovi teoreemi nime all.
Vladimir AleksandrovitšKotelnikov
Tulevane akadeemik sündis 1908. aastal Kaasani ülikooli õppejõudude peres. Õppis MVTU im. Bauman, osales teda huvitavatel loengutel Moskva Riiklikus Ülikoolis. 1930. aastal muudeti elektrotehnika teaduskond, kus Kotelnikov õppis, Moskva Energeetikainstituudiks ja Kotelnikov lõpetas selle. Pärast lõpetamist töötas ta erinevates ülikoolides ja laborites. Sõja ajal juhatas ta Ufa suletud uurimisinstituudi laboratooriumi, kus ta tegeles turvaliste sidekanalite ja sõnumite kodeerimise küsimustega.
Umbes selliseid arenguid mainib Solženitsõn oma romaanis "Esimeses ringis".
Umbes nelikümmend aastat juhtis ta raadiotehnika aluste osakonda ja oli raadiotehnika teaduskonna dekaan. Hiljem sai temast NSVL Teaduste Akadeemia Raadiotehnika ja Elektroonika Instituudi direktor.
Kõik vastavate erialade üliõpilased õpivad endiselt Kotelnikovi õpiku "Raadiotehnika teoreetilised alused" järgi.
Kotelnikov tegeles ka raadioastronoomia, ookeanide radiofüüsikaliste uuringute ja kosmoseuuringute probleemidega.
Tal ei olnud aega avaldada oma viimast teost "Mudelkvantmehaanika", mis on kirjutatud juba peaaegu 97-aastaselt. See ilmus alles aastal 2008
V. A. Kotelnikov suri 97-aastaselt 11. veebruaril 2005. Ta oli kahel korral sotsialistliku töö kangelane, teda autasustati paljude valitsuse autasudega. Tema järgi on nimetatud üks väikeplaneetidest.
Kotelnikovi teoreem
Sidesüsteemide arendaminetekitab palju teoreetilisi küsimusi. Näiteks millise sagedusvahemiku signaale saab edastada sidekanalite kaudu, erineva füüsilise struktuuriga, erineva ribalaiusega, et mitte kaotada vastuvõtmisel teavet.
1933. aastal tõestas Kotelnikov oma teoreemi, mida muidu nimetatakse valimiteoreemiks.
Kotelnikovi teoreemi sõnastus:
Kui analoogsignaalil on lõplik (piiratud laiusega) spekter, saab selle üheselt ja ilma kadudeta rekonstrueerida diskreetsete proovide põhjal, mis on võetud sagedusega, mis on rangelt üle kahekordne ülemine sagedus.
Kirjeldab ideaalset juhust, kui signaali kestusaeg on lõpmatu. Sellel pole katkestusi, kuid sellel on piiratud spekter (Kotelnikovi teoreemi järgi). Piiratud spektriga signaale kirjeldav matemaatiline mudel on aga praktikas hästi rakendatav reaalsete signaalide puhul.
Kotelnikovi teoreemi alusel saab rakendada pidevate signaalide diskreetse edastamise meetodit.
Teoreemi füüsiline tähendus
Kotelnikovi teoreemi saab lihtsate sõnadega seletada järgmiselt. Kui teil on vaja edastada teatud signaal, siis pole vaja seda tervikuna edastada. Saate edastada selle hetkelisi impulsse. Nende impulsside edastussagedust nimetatakse Kotelnikovi teoreemis diskreetimissageduseks. See peaks olema kaks korda suurem signaali spektri ülemisest sagedusest. Sel juhul taastatakse signaal vastuvõtuotsas ilma moonutusteta.
Kotelnikovi teoreem teeb diskretiseerimise kohta väga olulisi järeldusi. Erinevat tüüpi signaalide jaoks on erinevad diskreetimissagedused. Hääl- (telefoni)sõnumile kanalilaiusega 3,4 kHz - 6,8 kHz ja telesignaalile - 16 MHz.
Kommunikatsiooniteoorias on mitut tüüpi suhtluskanaleid. Füüsilisel tasandil - juhtmega, akustilised, optilised, infrapuna- ja raadiokanalid. Ja kuigi teoreem töötati välja ideaalse sidekanali jaoks, on see rakendatav ka kõigi teiste kanalite tüüpide puhul.
Mitmekanaliline telekommunikatsioon
Kotelnikovi teoreem on mitmekanalilise telekommunikatsiooni aluseks. Impulsside proovide võtmisel ja edastamisel on impulsside vaheline periood palju pikem kui nende kestus. See tähendab, et ühe signaali impulsside intervallides (seda nimetatakse töötsükliks) on võimalik edastada teise signaali impulsse. Rakendati 12, 15, 30, 120, 180, 1920 kõnekanali süsteemid. See tähendab, et ühe juhtmepaari kaudu saab üheaegselt edastada umbes 2000 telefonivestlust.
Kotelnikovi teoreemi põhjal, lihtsate sõnadega, tekkisid peaaegu kõik kaasaegsed sidesüsteemid.
Harry Nyquist
Nagu mõnikord teaduses juhtub, jõuavad sarnaste probleemidega tegelevad teadlased peaaegu üheaegselt samadele järeldustele. See on üsna loomulik. Siiani pole vaibunud vaidlused selle üle, kes avastas jäävusseaduse - Lomonosov või Lavoisier, kes leiutas hõõglambi - Yablochkin või Edison, kes leiutas raadio - Popov või Marconi. See nimekiri on lõputu.
Jah,Rootsi päritolu Ameerika füüsik Harry Nyquist avaldas 1927. aastal ajakirjas "Certain Problems of Telegraph Transmission" oma uurimuse Kotelnikovi järeldustega sarnaste järeldustega. Tema teoreemi nimetatakse mõnikord Kotelnikovi-Nyquisti teoreemiks.
Harry Nyquist sündis 1907. aastal, omandas doktorikraadi Yale'i ülikoolis ja töötas Bell Labsis. Seal uuris ta soojusmüra probleeme võimendites, osales esimese fototelegraafi väljatöötamisel. Tema teosed olid aluseks Claude Shannoni edasisele arengule. Nyquist suri aastal 1976
Claude Shannon
Claude Shannonit nimetatakse mõnikord ka infoajastu isaks – nii suur on tema panus kommunikatsiooniteooriasse ja arvutiteadusesse. Claude Shannon sündis 1916. aastal USA-s. Ta töötas Bell Labis ja mitmetes Ameerika ülikoolides. Sõja ajal töötas ta koos Alan Turingiga Saksa allveelaevade koodide dešifreerimisel.
1948. aastal pakkus ta artiklis "Kommunikatsiooni matemaatiline teooria" välja termini bit kui teabe miinimumühiku tähistust. 1949. aastal tõestas ta (Kotelnikovist sõltumatult) teoreemi, mis oli pühendatud signaali rekonstrueerimisele selle diskreetsetest näidistest. Mõnikord nimetatakse seda Kotelnikovi-Shannoni teoreemiks. Tõsi, läänes on Nyquisti-Shannoni teoreemi nimi rohkem aktsepteeritud.
Shannon tõi kommunikatsiooniteooriasse entroopia mõiste. Õppisin koode. Tänu tema tööle on krüptograafiast saanud täieõiguslik teadus.
Kotelnikov ja krüptograafia
Kotelnikov tegeles ka koodide ja probleemidegakrüptograafia. Kahjuks oli NSV Liidu päevil kõik koodide ja šifritega seonduv rangelt salastatud. Ja paljude Kotelnikovi teoste avalikud väljaanded ei saanud olla. Siiski töötas ta suletud suhtluskanalite loomise nimel, mille koode vaenlane ei suutnud murda.
18. juunil 1941, peaaegu enne sõda, kirjutati Kotelnikovi artikkel "Automaatse krüptimise alused", mis avaldati 2006. aasta kogumikus "Kvantkrüptograafia ja Kotelnikovi teoreem ühekordsete võtmete ja näitude kohta".
Mürakindlus
Kotelnikovi töö abil töötati välja võimaliku mürakindluse teooria, mis määrab maksimaalse häirete hulga, mis võib sidekanalis olla, et informatsioon kaduma ei läheks. Arvesse võetakse ideaalse vastuvõtja varianti, mis on tegelikust kaugel. Kuid võimalused suhtluskanali parandamiseks on selgelt määratletud.
Kosmoseuuringud
Kotelnikovi juhitud meeskond andis suure panuse kosmoseside-, automaatika- ja telemeetriasüsteemidesse. Sergei Pavlovitš Korolev kaasas Kotelnikovi laboratooriumi kosmosetööstuse probleemide lahendamisse.
Ehitati kümneid juhtimis- ja mõõtepunkte, mis ühendati üheks juhtimis- ja mõõtmiskompleksiks.
Planeetidevaheliste kosmosejaamade jaoks töötati välja radariseadmed, kaardistamine viidi läbi planeedi Veenuse läbipaistmatus atmosfääris. Kotelnikovi juhtimisel välja töötatud seadmete abil viidi läbi kosmosejaamad "Venera" ja "Magellan".planeedi radarialad etteantud sektorites. Selle tulemusel teame, mis on Veenusel tihedate pilvede taga peidus. Uuriti ka Marsi, Jupiterit, Merkuuri.
Kotelnikovi arendused on leidnud rakendust orbitaaljaamades ja kaasaegsetes raadioteleskoopides.
1998. aastal pälvis V. A. Kotelnikov von Karmani preemia. See on Rahvusvahelise Astronautikaakadeemia auhind, mis antakse loova mõtlemisega inimestele olulise panuse eest kosmoseuuringutesse.
Maaväliste tsivilisatsioonide raadiosignaalide otsimine
90ndatel käivitati rahvusvaheline programm Seti maaväliste tsivilisatsioonide raadiosignaalide otsimiseks suurimate raadioteleskoopide abil. Just Kotelnikov põhjendas sel eesmärgil mitmekanaliliste vastuvõtjate kasutamise vajadust. Kaasaegsed vastuvõtjad kuulavad korraga miljoneid raadiokanaleid, hõlmates kogu võimaliku vahemiku.
Samuti tehti tema juhtimisel tööd, mis määratleb mõistliku kitsaribasignaali kriteeriumid üldise müra ja häirete korral.
Kahjuks pole see otsing seni olnud edukas. Kuid ajaloo mastaabis peetakse neid väga lühikest aega.
Kotelnikovi teoreem viitab fundamentaalsetele avastustele teaduses. Seda võib julgelt panna samale joonele Pythagorase, Euleri, Gaussi, Lorentzi jne teoreemidega.
Igas valdkonnas, kus on vaja mis tahes elektromagnetilisi signaale edastada või vastu võtta, kasutame teadlikult või alateadlikult Kotelnikovi teoreemi. Räägime telefoniga, vaatame telekatkuulake raadiot, kasutage Internetti. Kõik see sisaldab põhimõtteliselt signaalide diskreetimispõhimõtet.
