No final do século XIX e início do século XX, as comunicações por telefone e rádio desenvolveram-se rapidamente. Em 1882, a primeira central telefônica na Rússia foi lançada em São Petersburgo. Esta estação tinha 259 assinantes. E em Moscou, mais ou menos na mesma época, havia 200 assinantes.
Em 1896, Alexander Popov transmitiu o primeiro sinal de rádio a uma distância de 250 metros, consistindo em apenas duas palavras: "Heinrich Hertz".
O desenvolvimento das comunicações tem estado na vanguarda do progresso tecnológico. Pouco mais de um século se passou desde então e, graças ao trabalho de cientistas e engenheiros dessa indústria, vemos como o mundo mudou.
Não podemos imaginar nossas vidas sem telefones, comunicações de rádio, televisão e Internet. Isso se baseia na propagação de ondas eletromagnéticas, cuja teoria foi desenvolvida por James Clerk Maxwell em meados do século XIX. As ondas eletromagnéticas são portadoras de sinais úteis e, na teoria da transmissão de sinais, o teorema do cientista e engenheiro russo Vladimir Alexandrovich Kotelnikov desempenha um papel fundamental.
Entrou na ciência sob o nome de teorema de Kotelnikov.
Vladimir AleksandrovichKotelnikov
O futuro acadêmico nasceu em 1908 em uma família de professores da Universidade de Kazan. Estudou no MVTU im. Bauman, assistiu a palestras de seu interesse na Universidade Estadual de Moscou. Em 1930, a faculdade de engenharia elétrica, onde Kotelnikov estudou, foi transformada no Instituto de Engenharia de Energia de Moscou, e Kotelnikov se formou. Após a formatura, trabalhou em várias universidades e laboratórios. Durante a guerra, chefiou o laboratório de um instituto de pesquisa fechado em Ufa, onde tratou de questões de canais de comunicação seguros e codificação de mensagens.
Aproximadamente tais desenvolvimentos são mencionados por Solzhenitsyn em seu romance "No Primeiro Círculo".
Por cerca de quarenta anos foi responsável pelo Departamento de "Fundamentos de Engenharia de Rádio", e foi o Decano da Faculdade de Engenharia de Rádio. Mais tarde, tornou-se diretor do Instituto de Engenharia de Rádio e Eletrônica da Academia de Ciências da URSS.
Todos os alunos das especialidades relevantes ainda estão estudando de acordo com o livro de Kotelnikov "Fundamentos teóricos da engenharia de rádio".
Kotelnikov também tratou dos problemas de radioastronomia, pesquisa radiofísica dos oceanos e pesquisa espacial.
Ele não teve tempo de publicar seu último trabalho "Modelo da Mecânica Quântica", escrito já com quase 97 anos. Só saiu em 2008
V. A. Kotelnikov morreu aos 97 anos em 11 de fevereiro de 2005. Ele foi duas vezes um herói do trabalho socialista, recebeu muitos prêmios do governo. Um dos planetas menores tem o nome dele.
Teorema de Kotelnikov
Desenvolvimento de sistemas de comunicaçãolevanta muitas questões teóricas. Por exemplo, sinais de qual faixa de frequência podem ser transmitidos por canais de comunicação, de estrutura física diferente, com largura de banda diferente, para não perder informações durante a recepção.
Em 1933, Kotelnikov provou seu teorema, que também é chamado de teorema da amostragem.
Formulação do teorema de Kotelnikov:
Se um sinal analógico tem um espectro finito (limitado em largura), então ele pode ser reconstruído sem ambiguidade e sem perda de suas amostras discretas tomadas em uma frequência estritamente maior que duas vezes a frequência superior.
Descreve o caso ideal quando o tempo de duração do sinal é infinito. Não tem interrupções, mas tem um espectro limitado (pelo teorema de Kotelnikov). No entanto, o modelo matemático que descreve os sinais de espectro limitado é bem aplicável na prática a sinais reais.
Com base no teorema de Kotelnikov, um método para transmissão discreta de sinais contínuos pode ser implementado.
Significado físico do teorema
O teorema de Kotelnikov pode ser explicado em termos simples como segue. Se você precisar transmitir um determinado sinal, não será necessário transmiti-lo em sua totalidade. Você pode transmitir seus impulsos instantâneos. A frequência de transmissão desses pulsos é chamada de frequência de amostragem no teorema de Kotelnikov. Deve ser o dobro da frequência superior do espectro do sinal. Neste caso, na extremidade receptora, o sinal é restaurado sem distorção.
O teorema de Kotelnikov tira conclusões muito importantes sobre discretização. Existem diferentes taxas de amostragem para diferentes tipos de sinais. Para uma mensagem de voz (telefone) com uma largura de canal de 3,4 kHz - 6,8 kHz e para um sinal de televisão - 16 MHz.
Na teoria da comunicação, existem vários tipos de canais de comunicação. No nível físico - canais com fio, acústicos, ópticos, infravermelhos e de rádio. E embora o teorema tenha sido desenvolvido para um canal de comunicação ideal, é aplicável a todos os outros tipos de canais.
Telecomunicações multicanal
Teorema de Kotelnikov fundamenta as telecomunicações multicanal. Ao amostrar e transmitir pulsos, o período entre os pulsos é muito maior que sua duração. Isso significa que nos intervalos de pulsos de um sinal (isso é chamado de ciclo de trabalho), é possível transmitir pulsos de outro sinal. Foram implementados sistemas para 12, 15, 30, 120, 180, 1920 canais de voz. Ou seja, cerca de 2.000 conversas telefônicas podem ser transmitidas simultaneamente por um par de fios.
Baseado no teorema de Kotelnikov, em palavras simples, quase todos os sistemas de comunicação modernos surgiram.
Harry Nyquist
Como às vezes acontece na ciência, os cientistas que lidam com problemas semelhantes chegam quase simultaneamente às mesmas conclusões. Isso é bem natural. Até agora, as disputas não diminuíram sobre quem descobriu a lei da conservação - Lomonosov ou Lavoisier, que inventou a lâmpada incandescente - Yablochkin ou Edison, que inventou o rádio - Popov ou Marconi. Esta lista é interminável.
Sim,O físico americano de origem sueca Harry Nyquist em 1927 na revista "Certos Problemas de Transmissão Telegráfica" publicou sua pesquisa com conclusões semelhantes às de Kotelnikov. Seu teorema às vezes é chamado de teorema de Kotelnikov-Nyquist.
Harry Nyquist nasceu em 1907, fez seu doutorado na Universidade de Yale e trabalhou no Bell Labs. Lá ele estudou os problemas de ruído térmico em amplificadores, participou do desenvolvimento do primeiro fototelégrafo. Suas obras serviram de base para os desenvolvimentos posteriores de Claude Shannon. Nyquist faleceu em 1976
Claude Shannon
Claude Shannon às vezes é chamado de pai da era da informação - tão grande é sua contribuição para a teoria da comunicação e ciência da computação. Claude Shannon nasceu em 1916 nos EUA. Ele trabalhou no Bell Lab e em várias universidades americanas. Durante a guerra, ele trabalhou com Alan Turing para decifrar os códigos dos submarinos alemães.
Em 1948, no artigo "Teoria Matemática da Comunicação", propôs o termo bit como designação da unidade mínima de informação. Em 1949, ele provou (independentemente de Kotelnikov) um teorema dedicado à reconstrução de um sinal a partir de suas amostras discretas. Às vezes é chamado de teorema de Kotelnikov-Shannon. É verdade que no Ocidente o nome do teorema de Nyquist-Shannon é mais aceito.
Shannon introduziu o conceito de entropia na teoria da comunicação. Eu estudei códigos. Graças ao seu trabalho, a criptografia tornou-se uma ciência completa.
Kotelnikov e criptografia
Kotelnikov também tratou de problemas de códigos ecriptografia. Infelizmente, nos dias da URSS, tudo relacionado a códigos e cifras era estritamente confidencial. E as publicações abertas de muitas das obras de Kotelnikov não poderiam ser. No entanto, ele trabalhou para criar canais fechados de comunicação, cujos códigos o inimigo não poderia decifrar.
18 de junho de 1941, quase antes da guerra, o artigo de Kotelnikov "Basics of automatic encryption" foi escrito, publicado na coleção de 2006 "Quantum cryptography and Kotelnikov's theorem on one-time keys and readings".
Imunidade a Ruído
Com a ajuda do trabalho de Kotelnikov, foi desenvolvida uma teoria de potencial imunidade ao ruído, que determina a quantidade máxima de interferência que pode haver em um canal de comunicação para que a informação não seja perdida. Uma variante de um receptor ideal, que está longe do real, é considerada. Mas as formas de melhorar o canal de comunicação estão claramente definidas.
Exploração Espacial
A equipe liderada por Kotelnikov deu uma grande contribuição aos sistemas de comunicação espacial, automação e telemetria. Sergei Pavlovich Korolev envolveu o laboratório Kotelnikov na solução dos problemas da indústria espacial.
Dúzias de pontos de controle e medição foram construídos, ligados em um único complexo de controle e medição.
Equipamento de radar para estações espaciais interplanetárias foi desenvolvido, o mapeamento foi realizado na atmosfera opaca do planeta Vênus. Com a ajuda de dispositivos desenvolvidos sob a direção de Kotelnikov, as estações espaciais "Venera" e "Magellan" realizaramradares do planeta em setores pré-determinados. Como resultado, sabemos o que está escondido em Vênus atrás de nuvens densas. Marte, Júpiter, Mercúrio também foram explorados.
Os desenvolvimentos de Kotelnikov encontraram aplicação em estações orbitais e radiotelescópios modernos.
Em 1998, V. A. Kotelnikov recebeu o Prêmio von Karman. Este é um prêmio da Academia Internacional de Astronáutica, concedido a pessoas com pensamento criativo por uma contribuição significativa à pesquisa espacial.
Procurar sinais de rádio de civilizações extraterrestres
O programa internacional de busca de sinais de rádio de civilizações extraterrestres Seti usando os maiores radiotelescópios foi lançado na década de 90. Foi Kotelnikov quem justificou a necessidade de usar receptores multicanal para esse fim. Os receptores modernos ouvem milhões de canais de rádio simultaneamente, cobrindo todo o alcance possível.
Além disso, sob sua liderança, foi realizado o trabalho que define os critérios para um sinal de banda estreita razoável em geral ruído e interferência.
Infelizmente, até agora esta busca não foi bem sucedida. Mas na escala da história, eles são conduzidos por um tempo muito curto.
Teorema de Kotelnikov refere-se a descobertas fundamentais na ciência. Ele pode ser colocado em pé de igualdade com os teoremas de Pitágoras, Euler, Gauss, Lorentz, etc.
Em todas as áreas onde é necessário transmitir ou receber quaisquer sinais eletromagnéticos, utilizamos consciente ou inconscientemente o teorema de Kotelnikov. Nós conversamos no telefone, assistimos TVouvir rádio, usar a Internet. Tudo isso basicamente contém o princípio de amostragem de sinais.
