Na konci devatenáctého a začátku dvacátého století se telefonní a rádiové komunikace rychle rozvíjely. V roce 1882 byla v Petrohradě spuštěna první telefonní ústředna v Rusku. Tato stanice měla 259 předplatitelů. A v Moskvě bylo přibližně ve stejnou dobu 200 odběratelů.
V roce 1896 vyslal Alexander Popov první rádiový signál na vzdálenost 250 metrů, skládající se pouze ze dvou slov: „Heinrich Hertz“.
Vývoj komunikací byl v popředí technologického pokroku. Od té doby uplynulo něco více než století a díky práci vědců a inženýrů v tomto odvětví vidíme, jak se svět změnil.
Nedokážeme si představit svůj život bez telefonů, rádiových komunikací, televize a internetu. To je založeno na šíření elektromagnetických vln, jehož teorii vypracoval James Clerk Maxwell v polovině devatenáctého století. Elektromagnetické vlny jsou nositeli užitečných signálů a v teorii přenosu signálu hraje zásadní roli teorém ruského vědce a inženýra, akademika Vladimira Alexandroviče Kotelnikova.
Do vědy vstoupila pod názvem Kotelnikovova věta.
Vladimir AleksandrovichKotelnikov
Budoucí akademik se narodil v roce 1908 v rodině učitelů Kazaňské univerzity. Studoval(a) na škole MVTU im. Bauman, navštěvoval přednášky, které ho zajímaly na Moskevské státní univerzitě. V roce 1930 byla elektrotechnická fakulta, kde Kotelnikov studoval, přeměněna na Moskevský energetický institut a Kotelnikov ji absolvoval. Po absolutoriu pracoval na různých univerzitách a v laboratořích. Během války vedl laboratoř uzavřeného výzkumného ústavu v Ufě, kde se zabýval otázkami bezpečných komunikačních kanálů a kódování zpráv.
Přibližně takový vývoj zmiňuje Solženicyn ve svém románu „V prvním kruhu“.
Zhruba čtyřicet let vedl katedru „Základů radiotechniky“a byl děkanem Fakulty radiotechniky. Později se stal ředitelem Ústavu radiotechniky a elektroniky Akademie věd SSSR.
Všichni studenti příslušných specializací stále studují podle Kotelnikovovy učebnice "Teoretické základy radiotechniky".
Kotelnikov se také zabýval problémy radioastronomie, radiofyzikálního výzkumu oceánů a kosmického výzkumu.
Nestihl publikovat své poslední dílo „Model Quantum Mechanics“, napsané již ve věku téměř 97 let. Vyšlo až v roce 2008
V. A. Kotelnikov zemřel ve věku 97 let 11. února 2005. Byl dvakrát hrdinou socialistické práce, získal mnoho vládních vyznamenání. Jedna z malých planet je po něm pojmenována.
Kotelnikovův teorém
Vývoj komunikačních systémůvyvolává mnoho teoretických otázek. Například signály v jakém frekvenčním rozsahu mohou být přenášeny komunikačními kanály, s různou fyzickou strukturou, s různou šířkou pásma, aby nedošlo ke ztrátě informací během příjmu.
V roce 1933 Kotelnikov dokázal svůj teorém, který se jinak nazývá vzorkovací teorém.
Formulace Kotelnikovovy věty:
Pokud má analogový signál konečné spektrum (omezené šířkou), pak jej lze jednoznačně a bez ztráty rekonstruovat z jeho diskrétních vzorků odebraných na frekvenci přísně vyšší než dvojnásobek horní frekvence.
Popisuje ideální případ, kdy je doba trvání signálu nekonečná. Nemá žádná přerušení, ale má omezené spektrum (podle Kotelnikovovy věty). Matematický model popisující signály s omezeným spektrem je však v praxi dobře použitelný na skutečné signály.
Na základě Kotelnikovovy věty lze implementovat metodu pro diskrétní přenos spojitých signálů.
Fyzikální význam věty
Kotelnikovův teorém lze jednoduše vysvětlit následovně. Pokud potřebujete přenést určitý signál, pak není nutné jej přenášet celý. Můžete přenášet jeho okamžité impulsy. Přenosová frekvence těchto pulsů se v Kotelnikovově větě nazývá vzorkovací frekvence. Měla by být dvojnásobkem horní frekvence spektra signálu. V tomto případě je na přijímací straně signál obnoven bez zkreslení.
Kotelnikovův teorém vyvozuje velmi důležité závěry o diskretizaci. Pro různé typy signálů existují různé vzorkovací frekvence. Pro hlasovou (telefonní) zprávu o šířce kanálu 3,4 kHz - 6,8 kHz a pro televizní signál - 16 MHz.
V teorii komunikace existuje několik typů komunikačních kanálů. Na fyzické úrovni - drátové, akustické, optické, infračervené a rádiové kanály. A přestože byla věta vyvinuta pro ideální komunikační kanál, je použitelná pro všechny ostatní typy kanálů.
Multikanálové telekomunikace
Kotelnikovův teorém je základem vícekanálových telekomunikací. Při vzorkování a přenosu pulzů je interval mezi pulzy mnohem delší než jejich trvání. To znamená, že v intervalech impulsů jednoho signálu (to se nazývá pracovní cyklus) je možné vysílat impulsy jiného signálu. Byly implementovány systémy pro 12, 15, 30, 120, 180, 1920 hlasových kanálů. To znamená, že přes jeden pár drátů lze současně přenést asi 2000 telefonních hovorů.
Na základě Kotelnikovovy věty, jednoduše řečeno, vznikly téměř všechny moderní komunikační systémy.
Harry Nyquist
Jak to někdy ve vědě bývá, vědci zabývající se podobnými problémy dospívají téměř současně ke stejným závěrům. To je zcela přirozené. Doposud neutichly spory o to, kdo objevil zákon zachování – Lomonosov nebo Lavoisier, kdo vynalezl žárovku – Yablochkin nebo Edison, kdo vynalezl rádio – Popov nebo Marconi. Tento seznam je nekonečný.
Ano,Americký fyzik švédského původu Harry Nyquist v roce 1927 v časopise „Certain Problems of Telegraph Transmission“publikoval svůj výzkum s podobnými závěry jako Kotelnikov. Jeho teorém se někdy nazývá Kotelnikov-Nyquistův teorém.
Harry Nyquist se narodil v roce 1907, získal doktorát na Yale University a pracoval v Bellových laboratořích. Tam studoval problematiku tepelného šumu v zesilovačích, podílel se na vývoji prvního fototelegrafu. Jeho díla posloužila jako základ pro další vývoj Clauda Shannona. Nyquist zemřel v roce 1976
Claude Shannon
Claude Shannon je někdy nazýván otcem informačního věku – tak velký je jeho příspěvek k teorii komunikace a počítačové vědě. Claude Shannon se narodil v roce 1916 v USA. Působil v Bell Lab a na řadě amerických univerzit. Během války spolupracoval s Alanem Turingem na rozluštění kódů německých ponorek.
V roce 1948 v článku „Mathematical Theory of Communication“navrhl termín bit jako označení minimální jednotky informace. V roce 1949 dokázal (nezávisle na Kotelnikovovi) teorém věnovaný rekonstrukci signálu z jeho diskrétních vzorků. Někdy se nazývá Kotelnikov-Shannonova věta. Pravda, na Západě je více přijímán název Nyquist-Shannonova teorému.
Shannon zavedl pojem entropie do teorie komunikace. Studoval jsem kódy. Díky jeho práci se kryptografie stala plnohodnotnou vědou.
Kotelnikov a kryptografie
Kotelnikov se také zabýval problémy kódů akryptografie. Bohužel v dobách SSSR bylo vše, co se týkalo kódů a šifer, přísně utajováno. A otevřené publikace mnoha Kotelnikovových děl nemohly být. Pracoval však na vytvoření uzavřených komunikačních kanálů, jejichž kódy nepřítel nedokázal prolomit.
18. června 1941, téměř před válkou, byl napsán Kotelnikovův článek „Základy automatického šifrování“, publikovaný v roce 2006 ve sbírce „Kvantová kryptografie a Kotelnikovův teorém o jednorázových klíčích a čteních“.
Imunita proti hluku
S pomocí Kotelnikovovy práce byla vyvinuta teorie potenciální odolnosti proti šumu, která určuje maximální míru rušení, které může být v komunikačním kanálu, aby nedošlo ke ztrátě informací. Zvažuje se varianta ideálního přijímače, který má k tomu reálnému daleko. Ale způsoby, jak zlepšit komunikační kanál, jsou jasně definovány.
Průzkum vesmíru
Tým vedený Kotelnikovem významně přispěl k systémům vesmírné komunikace, automatizace a telemetrie. Sergej Pavlovič Korolev zapojil Kotelnikovovu laboratoř do řešení problémů vesmírného průmyslu.
Byly vytvořeny desítky kontrolních a měřicích bodů propojených do jediného kontrolního a měřicího komplexu.
Bylo vyvinuto radarové zařízení pro meziplanetární vesmírné stanice, mapování probíhalo v neprůhledné atmosféře planety Venuše. S pomocí zařízení vyvinutých pod vedením Kotelnikova provedly vesmírné stanice "Venera" a "Magellan"radarové oblasti planety v předem určených sektorech. Díky tomu víme, co se na Venuši skrývá za hustými mraky. Byly také prozkoumány Mars, Jupiter a Merkur.
Kotelnikovův vývoj našel uplatnění na orbitálních stanicích a moderních radioteleskopech.
V roce 1998 byla V. A. Kotelnikovovi udělena von Karmanova cena. Jedná se o cenu Mezinárodní akademie astronautiky, která se uděluje lidem s kreativním myšlením za významný přínos pro výzkum vesmíru.
Vyhledávání rádiových signálů z mimozemských civilizací
Mezinárodní program pro vyhledávání rádiových signálů mimozemských civilizací Seti pomocí největších radioteleskopů byl spuštěn v 90. letech. Byl to Kotelnikov, kdo odůvodnil potřebu použití vícekanálových přijímačů pro tento účel. Moderní přijímače poslouchají miliony rádiových kanálů současně a pokrývají celý možný rozsah.
Pod jeho vedením byla také provedena práce, která definuje kritéria pro rozumný úzkopásmový signál v obecném šumu a rušení.
Bohužel toto hledání zatím nebylo úspěšné. Ale v měřítku historie jsou prováděny po velmi krátkou dobu.
Kotelnikovův teorém odkazuje na zásadní objevy ve vědě. Lze je bezpečně postavit na stejnou úroveň jako Pythagorovy, Eulerovy, Gaussovy, Lorentzovy věty atd.
V každé oblasti, kde je nutné vysílat nebo přijímat jakékoli elektromagnetické signály, vědomě či nevědomě používáme Kotelnikovovu větu. Mluvíme po telefonu, díváme se na televiziposlouchat rádio, používat internet. To vše v podstatě obsahuje princip vzorkování signálů.
