Krajem devetnaestog i početkom dvadesetog veka telefonske i radio komunikacije su se brzo razvijale. 1882. godine 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, Aleksandar Popov je prenio prvi radio signal na udaljenosti od 250 metara, koji se sastojao od samo dvije riječi: "Heinrich Hertz".
Razvoj komunikacija je bio na čelu tehnološkog napretka. Od tada je prošlo nešto više od jednog veka, a zahvaljujući radu naučnika i inženjera u ovoj industriji, vidimo kako se svet promenio.
Ne možemo zamisliti svoj život bez telefona, radio komunikacija, televizije i interneta. Ovo se zasniva na širenju elektromagnetnih talasa, čiju je teoriju razvio Džejms Klerk Maksvel sredinom devetnaestog veka. Elektromagnetski talasi su nosioci korisnih signala, au teoriji prenosa signala fundamentalnu ulogu igra teorema ruskog naučnika i inženjera, akademika Vladimira Aleksandroviča Kotelnikova.
Ušao je u nauku pod imenom Kotelnikova teorema.
Vladimir AleksandrovičKotelnikov
Budući akademik rođen je 1908. godine u porodici nastavnika Kazanskog univerziteta. Studirao na MVTU im. Bauman, pohađao je predavanja koja su ga zanimala na Moskovskom državnom univerzitetu. Godine 1930. Elektrotehnički fakultet, na kojem je studirao Kotelnikov, pretvoren je u Moskovski energetski institut, a Kotelnikov ga je diplomirao. Nakon diplomiranja radio je na raznim univerzitetima i laboratorijama. Tokom rata vodio je laboratoriju 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 nauka SSSR-a.
Svi studenti relevantnih specijalnosti i dalje studiraju prema Kotelnikovom udžbeniku "Teorijske osnove radiotehnike".
Kotelnikov se bavio i problemima radioastronomije, radiofizičkih istraživanja okeana i svemirskih istraživanja.
Nije stigao da objavi svoje poslednje delo "Model kvantne mehanike", napisano već sa skoro 97 godina. Izašao je tek 2008.
V. A. Kotelnikov umro je u 97. godini 11. februara 2005. Dva puta je bio heroj socijalističkog rada, nagrađivan mnogim državnim nagradama. Jedna od manjih planeta je nazvana po njemu.
Kotelnikova teorema
Razvoj komunikacionih sistemaotvara mnoga teorijska pitanja. Na primjer, signali kog frekventnog opsega se mogu prenositi putem komunikacionih kanala, različite fizičke strukture, sa različitim propusnim opsegom, kako se ne bi gubile informacije tokom prijema.
Godine 1933. Kotelnikov je dokazao svoju teoremu, koja se inače naziva teorema uzorkovanja.
Formulacija Kotelnikove teoreme:
Ako analogni signal ima konačan (ograničen širinom) spektar, tada se može rekonstruisati nedvosmisleno i bez gubitka iz njegovih diskretnih uzoraka uzetih na frekvenciji koja je striktno veća od dvostruke gornje frekvencije.
Opisuje idealan slučaj kada je vrijeme trajanja signala beskonačno. Nema prekida, ali ima ograničen spektar (prema Kotelnikovovoj teoremi). Međutim, matematički model koji opisuje signale ograničenog spektra je dobro primjenjiv u praksi na stvarne signale.
Na osnovu Kotelnikove teoreme, može se implementirati metoda za diskretni prijenos kontinuiranih signala.
Fizičko značenje teoreme
Kotelnikova teorema može se jednostavno objasniti na sljedeći način. Ako trebate prenijeti određeni signal, onda ga nije potrebno prenositi u cijelosti. Možete prenijeti njegove trenutne impulse. Frekvencija prijenosa ovih impulsa naziva se frekvencijom uzorkovanja u Kotelnikovoj teoremi. Trebao bi biti dvostruko veći od gornje frekvencije spektra signala. U ovom slučaju, na prijemnoj strani, signal se vraća bez izobličenja.
Kotelnikova teorema donosi vrlo važne zaključke o diskretizaciji. Postoje različite stope uzorkovanja za različite vrste signala. Za glasovnu (telefonsku) poruku sa širinom kanala od 3,4 kHz - 6,8 kHz, a za televizijski signal - 16 MHz.
U teoriji komunikacije postoji nekoliko vrsta komunikacijskih kanala. Na fizičkom nivou - žičani, akustični, optički, infracrveni i radio kanali. I iako je teorema razvijena za idealan komunikacijski kanal, primjenjiva je na sve druge vrste kanala.
Višekanalne telekomunikacije
Kotelnikova teorema 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 (ovo se zove radni ciklus) moguće prenijeti impulse drugog signala. Implementirani su sistemi za 12, 15, 30, 120, 180, 1920 govornih kanala. To jest, oko 2000 telefonskih razgovora može se istovremeno prenijeti preko jednog para žica.
Na osnovu Kotelnikove teoreme, jednostavnim rečima, nastali su skoro svi savremeni komunikacioni sistemi.
Harry Nyquist
Kao što je ponekad slučaj u nauci, naučnici koji se bave sličnim problemima skoro istovremeno dolaze do istih zaključaka. Ovo je sasvim prirodno. Do sada se ne stišaju sporovi o tome ko je otkrio zakon očuvanja - Lomonosov ili Lavoisier, ko je izmislio lampu sa žarnom niti - Yablochkin ili Edison, ko je izumio radio - Popov ili Marconi. Ova lista je beskrajna.
Da,Američki fizičar švedskog porijekla Harry Nyquist je 1927. godine u časopisu "Određeni problemi telegrafskog prijenosa" objavio svoje istraživanje sa zaključcima sličnim Kotelnikovim. Njegova teorema se ponekad naziva Kotelnikov-Nyquistova teorema.
Harry Nyquist je rođen 1907. godine, doktorirao je na Univerzitetu Yale i radio u Bell Labs-u. Tamo je proučavao probleme termičkog šuma u pojačivačima, učestvovao u razvoju prvog fototelegrafa. Njegova djela poslužila su kao osnova za daljnji razvoj Claudea Shanona. Nyquist je preminuo 1976.
Claude Shannon
Claude Shannon se ponekad naziva ocem informatičkog doba - toliki je njegov doprinos teoriji komunikacije i informatici. Claude Shannon rođen je 1916. godine u SAD-u. Radio je u Bell Labu i na brojnim američkim univerzitetima. Tokom rata, radio je sa Alanom Turingom na dešifrovanju kodova nemačkih podmornica.
1948. godine, u članku "Matematička teorija komunikacije", predložio je termin bit kao oznaku minimalne jedinice informacije. Godine 1949. dokazao je (nezavisno od Kotelnikova) teoremu posvećenu rekonstrukciji signala iz njegovih diskretnih uzoraka. Ponekad se naziva Kotelnikov-Shannonovom teoremom. Istina, na Zapadu je naziv Nyquist-Shannonove teoreme prihvatljiviji.
Shannon je uvela koncept entropije u teoriju komunikacije. Proučavao sam šifre. Zahvaljujući njegovom radu, kriptografija je postala punopravna nauka.
Kotelnikov i kriptografija
Kotelnikov se takođe bavio problemima kodova ikriptografija. Nažalost, u vrijeme SSSR-a sve što se odnosilo na šifre i šifre bilo je strogo povjerljivo. A otvorene publikacije mnogih Kotelnikovih djela nisu mogle biti. Međutim, radio je na stvaranju zatvorenih kanala komunikacije, čije kodove neprijatelj nije mogao probiti.
18. juna 1941., skoro prije rata, napisan je Kotelnikovov članak "Osnove automatskog šifriranja", objavljen u zbirci iz 2006. "Kvantna kriptografija i Kotelnikova teorema o jednokratnim ključevima i očitanjima".
Imunitet na buku
Uz pomoć Kotelnikovog rada razvijena je teorija potencijalne otpornosti 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 za poboljšanje kanala komunikacije su jasno definisani.
Istraživanje svemira
Tim predvođen Kotelnikovom dao je veliki doprinos sistemima svemirskih komunikacija, automatizacije i telemetrije. Sergej Pavlovič Koroljev uključio je laboratoriju Kotelnikov u rješavanje problema svemirske industrije.
Izgrađeno je desetine kontrolnih i mjernih tačaka, povezanih u jedan kontrolni i mjerni kompleks.
Radarska oprema za međuplanetarne svemirske stanice je razvijena, mapiranje je izvršeno u neprozirnoj atmosferi planete Venere. Uz pomoć uređaja razvijenih pod vodstvom Kotelnikova, svemirske stanice "Venera" i "Magellan" izvele suradarska područja planete u unaprijed određenim sektorima. Kao rezultat toga, znamo šta je skriveno na Veneri iza gustih oblaka. Mars, Jupiter, Merkur su takođe istraženi.
Kotelnikovi razvoji su našli primenu u orbitalnim stanicama i modernim radio teleskopima.
Godine 1998, V. A. Kotelnikov je nagrađen fon Karmanovom nagradom. Ovo je nagrada Međunarodne akademije za astronautiku, koja se dodjeljuje ljudima sa kreativnim razmišljanjem za značajan doprinos istraživanju svemira.
Traži radio signale iz vanzemaljskih civilizacija
Međunarodni program za traženje radio signala vanzemaljskih civilizacija Seti pomoću najvećih radio teleskopa pokrenut je 90-ih godina. Kotelnikov je bio taj koji je opravdao potrebu za korištenjem višekanalnih prijemnika u tu svrhu. Moderni prijemnici slušaju milione radio kanala istovremeno, pokrivajući čitav mogući opseg.
Takođe, pod njegovim rukovodstvom, obavljen je rad koji definiše kriterijume za razuman uskopojasni signal u opštoj buci i smetnjama.
Nažalost, ova pretraga do sada nije bila uspješna. Ali na ljestvici historije, provode se vrlo kratko.
Kotelnikova teorema se odnosi na fundamentalna otkrića u nauci. Može se bezbedno staviti u ravan sa Pitagorinim, Ojlerovim, Gausovim, Lorencovim itd.
U svakoj oblasti u kojoj je potrebno odašiljati ili primati bilo kakve elektromagnetne signale, svjesno ili nesvjesno koristimo Kotelnikovu teoremu. Pričamo telefonom, gledamo TVslušajte radio, koristite internet. Sve ovo u osnovi sadrži princip uzorkovanja signala.
