Alla fine del diciannovesimo e all'inizio del ventesimo secolo, le comunicazioni telefoniche e radiofoniche si svilupparono rapidamente. Nel 1882 a San Pietroburgo fu lanciato il primo centralino telefonico in Russia. Questa stazione aveva 259 abbonati. E a Mosca più o meno nello stesso periodo c'erano 200 abbonati.
Nel 1896, Alexander Popov trasmise il primo segnale radio su una distanza di 250 metri, composto da due sole parole: "Heinrich Hertz".
Lo sviluppo delle comunicazioni è stato in prima linea nel progresso tecnologico. È passato poco più di un secolo da allora e, grazie al lavoro di scienziati e ingegneri in questo settore, vediamo come è cambiato il mondo.
Non possiamo immaginare la nostra vita senza telefoni, comunicazioni radio, televisione e Internet. Questo si basa sulla propagazione delle onde elettromagnetiche, la cui teoria è stata sviluppata da James Clerk Maxwell a metà del diciannovesimo secolo. Le onde elettromagnetiche sono portatrici di segnali utili e nella teoria della trasmissione del segnale, il teorema dello scienziato e ingegnere russo, l'accademico Vladimir Alexandrovich Kotelnikov gioca un ruolo fondamentale.
È entrato nella scienza sotto il nome del teorema di Kotelnikov.
Vladimir AleksandrovichKotelnikov
Il futuro accademico è nato nel 1908 in una famiglia di insegnanti dell'Università di Kazan. Ha studiato presso MVTU im. Bauman, ha frequentato lezioni di suo interesse all'Università statale di Mosca. Nel 1930, la facoltà di ingegneria elettrica, dove studiò Kotelnikov, fu trasformata nell'Istituto di ingegneria energetica di Mosca e Kotelnikov si laureò. Dopo la laurea, ha lavorato in diverse università e laboratori. Durante la guerra, ha diretto il laboratorio di un istituto di ricerca chiuso a Ufa, dove si è occupato di problemi di canali di comunicazione sicuri e codifica dei messaggi.
Approssimativamente tali sviluppi sono menzionati da Solzhenitsyn nel suo romanzo "In the First Circle".
Per circa quarant'anni è stato responsabile del Dipartimento di "Fondamenti di Radio Engineering", ed è stato Preside della Facoltà di Radio Engineering. Successivamente divenne direttore dell'Istituto di ingegneria radiofonica ed elettronica dell'Accademia delle scienze dell'URSS.
Tutti gli studenti delle specialità pertinenti stanno ancora studiando secondo il libro di testo di Kotelnikov "Fondamenti teorici dell'ingegneria radio".
Kotelnikov si è occupato anche dei problemi della radioastronomia, della ricerca radiofisica degli oceani e della ricerca spaziale.
Non ha avuto il tempo di pubblicare il suo ultimo lavoro "Model Quantum Mechanics", scritto già all'età di quasi 97 anni. È uscito solo nel 2008
V. A. Kotelnikov è morto all'età di 97 anni l'11 febbraio 2005. È stato due volte un eroe del lavoro socialista, ha ricevuto numerosi riconoscimenti dal governo. Uno dei pianeti minori porta il suo nome.
Teorema di Kotelnikov
Sviluppo di sistemi di comunicazionesolleva molti interrogativi teorici. Ad esempio, segnali di quale gamma di frequenze possono essere trasmessi su canali di comunicazione, di diversa struttura fisica, con diversa larghezza di banda, in modo da non perdere informazioni durante la ricezione.
Nel 1933, Kotelnikov dimostrò il suo teorema, altrimenti chiamato teorema del campionamento.
Formulazione del teorema di Kotelnikov:
Se un segnale analogico ha uno spettro finito (limitato in larghezza), può essere ricostruito in modo univoco e senza perdite dai suoi campioni discreti prelevati a una frequenza rigorosamente maggiore del doppio della frequenza superiore.
Descrive il caso ideale in cui il tempo di durata del segnale è infinito. Non ha interruzioni, ma ha uno spettro limitato (per il teorema di Kotelnikov). Tuttavia, il modello matematico che descrive i segnali a spettro limitato è ben applicabile in pratica ai segnali reali.
Basato sul teorema di Kotelnikov, è possibile implementare un metodo per la trasmissione discreta di segnali continui.
Significato fisico del teorema
Il teorema di Kotelnikov può essere spiegato in termini semplici come segue. Se è necessario trasmettere un determinato segnale, non è necessario trasmetterlo nella sua interezza. Puoi trasmettere i suoi impulsi istantanei. La frequenza di trasmissione di questi impulsi è chiamata frequenza di campionamento nel teorema di Kotelnikov. Dovrebbe essere il doppio della frequenza superiore dello spettro del segnale. In questo caso, all'estremità ricevente, il segnale viene ripristinato senza distorsioni.
Il teorema di Kotelnikov trae conclusioni molto importanti sulla discretizzazione. Esistono diverse frequenze di campionamento per diversi tipi di segnali. Per un messaggio vocale (telefonico) con una larghezza del canale di 3,4 kHz - 6,8 kHz e per un segnale televisivo - 16 MHz.
Nella teoria della comunicazione, ci sono diversi tipi di canali di comunicazione. A livello fisico: canali cablati, acustici, ottici, infrarossi e radio. E sebbene il teorema sia stato sviluppato per un canale di comunicazione ideale, è applicabile a tutti gli altri tipi di canali.
Telecomunicazioni multicanale
Il teorema di Kotelnikov è alla base delle telecomunicazioni multicanale. Durante il campionamento e la trasmissione di impulsi, il periodo tra gli impulsi è molto maggiore della loro durata. Ciò significa che negli intervalli di impulsi di un segnale (questo è chiamato duty cycle), è possibile trasmettere impulsi di un altro segnale. Sono stati implementati sistemi per 12, 15, 30, 120, 180, 1920 canali vocali. Cioè, circa 2000 conversazioni telefoniche possono essere trasmesse simultaneamente su una coppia di fili.
Sulla base del teorema di Kotelnikov, in parole semplici, sono sorti quasi tutti i moderni sistemi di comunicazione.
Harry Nyquist
Come talvolta accade nella scienza, gli scienziati che si occupano di problemi simili arrivano quasi simultaneamente alle stesse conclusioni. Questo è abbastanza naturale. Fino ad ora, le controversie non si sono placate su chi ha scoperto la legge di conservazione - Lomonosov o Lavoisier, che ha inventato la lampada a incandescenza - Yablochkin o Edison, che ha inventato la radio - Popov o Marconi. Questa lista è infinita.
Sì,Il fisico americano di origine svedese Harry Nyquist nel 1927 sulla rivista "Certain Problems of Telegraph Transmission" pubblicò la sua ricerca con conclusioni simili a quelle di Kotelnikov. Il suo teorema è talvolta chiamato teorema di Kotelnikov-Nyquist.
Harry Nyquist è nato nel 1907, ha conseguito il dottorato di ricerca alla Yale University e ha lavorato presso i Bell Labs. Lì studiò i problemi del rumore termico negli amplificatori, partecipò allo sviluppo del primo fototelegrafo. Le sue opere sono servite come base per gli ulteriori sviluppi di Claude Shannon. Nyquist è morto nel 1976
Claude Shannon
Claude Shannon è talvolta chiamato il padre dell'era dell'informazione - così grande è il suo contributo alla teoria della comunicazione e dell'informatica. Claude Shannon è nato nel 1916 negli Stati Uniti. Ha lavorato al Bell Lab e in diverse università americane. Durante la guerra, lavorò con Alan Turing per decifrare i codici dei sottomarini tedeschi.
Nel 1948, nell'articolo "Teoria matematica della comunicazione", propose il termine bit come designazione dell'unità minima di informazione. Nel 1949 dimostrò (indipendentemente da Kotelnikov) un teorema dedicato alla ricostruzione di un segnale dai suoi campioni discreti. A volte è chiamato teorema di Kotelnikov-Shannon. Vero, in Occidente il nome del teorema di Nyquist-Shannon è più accettato.
Shannon ha introdotto il concetto di entropia nella teoria della comunicazione. Ho studiato i codici. Grazie al suo lavoro, la crittografia è diventata una scienza a tutti gli effetti.
Kotelnikov e la crittografia
Kotelnikov ha anche affrontato problemi di codici ecrittografia. Sfortunatamente, ai tempi dell'URSS, tutto ciò che riguardava codici e cifrari era rigorosamente classificato. E le pubblicazioni aperte di molte delle opere di Kotelnikov non potevano esserlo. Tuttavia, ha lavorato per creare canali di comunicazione chiusi, i cui codici il nemico non poteva decifrare.
Il 18 giugno 1941, quasi prima della guerra, fu scritto l'articolo di Kotelnikov "Nozioni di base sulla crittografia automatica", pubblicato nella raccolta del 2006 "Crittografia quantistica e teorema di Kotelnikov su chiavi e letture una tantum".
Immunità al rumore
Con l'aiuto del lavoro di Kotelnikov, è stata sviluppata una teoria della potenziale immunità al rumore, che determina la quantità massima di interferenza che può esserci in un canale di comunicazione in modo che le informazioni non vadano perse. Si considera una variante di ricevitore ideale, che è ben lontana da quella reale. Ma i modi per migliorare il canale di comunicazione sono chiaramente definiti.
Esplorazione spaziale
Il team guidato da Kotelnikov ha dato un grande contributo ai sistemi di comunicazioni spaziali, automazione e telemetria. Sergei Pavlovich Korolev ha coinvolto il laboratorio Kotelnikov nella risoluzione dei problemi dell'industria spaziale.
Sono state costruite decine di punti di controllo e misurazione, collegati in un unico complesso di controllo e misurazione.
Sono state sviluppate apparecchiature radar per stazioni spaziali interplanetarie, la mappatura è stata effettuata nell'atmosfera opaca del pianeta Venere. Con l'aiuto di dispositivi sviluppati sotto la direzione di Kotelnikov, le stazioni spaziali "Venera" e "Magellan" sono state eseguitearee radar del pianeta in settori predeterminati. Di conseguenza, sappiamo cosa si nasconde su Venere dietro dense nubi. Sono stati esplorati anche Marte, Giove e Mercurio.
Gli sviluppi di Kotelnikov hanno trovato applicazione nelle stazioni orbitali e nei moderni radiotelescopi.
Nel 1998, V. A. Kotelnikov ha ricevuto il Premio von Karman. Questo è un premio dell'Accademia Internazionale di Astronautica, che viene assegnato a persone con un pensiero creativo per un contributo significativo alla ricerca spaziale.
Cerca segnali radio da civiltà extraterrestri
Il programma internazionale per la ricerca dei segnali radio delle civiltà extraterrestri Seti utilizzando i più grandi radiotelescopi è stato lanciato negli anni '90. È stato Kotelnikov a giustificare la necessità di utilizzare ricevitori multicanale per questo scopo. I moderni ricevitori ascoltano milioni di canali radio simultaneamente, coprendo l'intera gamma possibile.
Inoltre, sotto la sua guida, è stato svolto un lavoro che definisce i criteri per un segnale a banda stretta ragionevole in termini di rumore e interferenza generale.
Purtroppo, finora questa ricerca non ha avuto successo. Ma sulla scala della storia, sono condotti per un tempo molto breve.
Il teorema di Kotelnikov si riferisce alle scoperte fondamentali della scienza. Può essere tranquillamente messo alla pari con i teoremi di Pitagora, Eulero, Gauss, Lorentz, ecc.
In ogni area in cui è necessario trasmettere o ricevere segnali elettromagnetici, usiamo consciamente o inconsciamente il teorema di Kotelnikov. Parliamo al telefono, guardiamo la TVascolta la radio, usa Internet. Tutto questo contiene fondamentalmente il principio del campionamento dei segnali.
