A fines del siglo XIX y principios del siglo XX, las comunicaciones por teléfono y radio se desarrollaron rápidamente. En 1882, se inauguró en San Petersburgo la primera central telefónica de Rusia. Esta estación tenía 259 suscriptores. Y en Moscú, aproximadamente al mismo tiempo, había 200 suscriptores.
En 1896, Alexander Popov transmitió la primera señal de radio a una distancia de 250 metros, que constaba de solo dos palabras: "Heinrich Hertz".
El desarrollo de las comunicaciones ha estado a la vanguardia del progreso tecnológico. Ha pasado poco más de un siglo desde entonces, y gracias al trabajo de científicos e ingenieros de esta industria, vemos cómo ha cambiado el mundo.
No podemos imaginar nuestras vidas sin teléfonos, comunicaciones por radio, televisión e Internet. Este se basa en la propagación de ondas electromagnéticas, cuya teoría fue desarrollada por James Clerk Maxwell a mediados del siglo XIX. Las ondas electromagnéticas son portadoras de señales útiles, y en la teoría de la transmisión de señales juega un papel fundamental el teorema del científico e ingeniero ruso Vladimir Alexandrovich Kotelnikov.
Entró en la ciencia bajo el nombre de teorema de Kotelnikov.
Vladímir AleksandrovichKotelnikov
El futuro académico nació en 1908 en una familia de profesores de la Universidad de Kazan. Estudió en MVTU im. Bauman, asistió a conferencias de su interés en la Universidad Estatal de Moscú. En 1930, la facultad de ingeniería eléctrica, donde estudió Kotelnikov, se transformó en el Instituto de Ingeniería Eléctrica de Moscú, y Kotelnikov se graduó. Después de graduarse, trabajó en varias universidades y laboratorios. Durante la guerra, dirigió el laboratorio de un instituto de investigación cerrado en Ufa, donde se ocupó de los problemas de los canales de comunicación seguros y la codificación de mensajes.
Solzhenitsyn menciona aproximadamente estos avances en su novela "En el primer círculo".
Durante unos cuarenta años estuvo a cargo del Departamento de "Fundamentos de Ingeniería de Radio", y fue Decano de la Facultad de Ingeniería de Radio. Más tarde se convirtió en director del Instituto de Ingeniería de Radio y Electrónica de la Academia de Ciencias de la URSS.
Todos los estudiantes de las especialidades pertinentes siguen estudiando de acuerdo con el libro de texto de Kotelnikov "Fundamentos teóricos de la ingeniería de radio".
Kotelnikov también se ocupó de los problemas de la radioastronomía, la investigación radiofísica de los océanos y la investigación espacial.
No tuvo tiempo de publicar su último trabajo "Model Quantum Mechanics", escrito ya con casi 97 años. Recién salió en 2008
V. A. Kotelnikov murió a la edad de 97 años el 11 de febrero de 2005. Fue dos veces héroe del trabajo socialista, recibió muchos premios gubernamentales. Uno de los planetas menores lleva su nombre.
Teorema de Kotelnikov
Desarrollo de sistemas de comunicaciónplantea muchas cuestiones teóricas. Por ejemplo, señales de qué rango de frecuencia se pueden transmitir por canales de comunicación, de diferente estructura física, con diferente ancho de banda, para no perder información durante la recepción.
En 1933, Kotelnikov demostró su teorema, también llamado teorema de muestreo.
Formulación del teorema de Kotelnikov:
Si una señal analógica tiene un espectro finito (limitado en ancho), entonces se puede reconstruir sin ambigüedades y sin pérdidas a partir de sus muestras discretas tomadas a una frecuencia estrictamente mayor que el doble de la frecuencia superior.
Describe el caso ideal cuando el tiempo de duración de la señal es infinito. No tiene interrupciones, pero tiene un espectro limitado (por el teorema de Kotelnikov). Sin embargo, el modelo matemático que describe señales de espectro limitado se puede aplicar en la práctica a señales reales.
Basado en el teorema de Kotelnikov, se puede implementar un método para la transmisión discreta de señales continuas.
Significado físico del teorema
El teorema de Kotelnikov se puede explicar en términos simples de la siguiente manera. Si necesita transmitir una determinada señal, entonces no es necesario transmitirla en su totalidad. Puede transmitir sus impulsos instantáneos. La frecuencia de transmisión de estos pulsos se denomina frecuencia de muestreo en el teorema de Kotelnikov. Debe ser el doble de la frecuencia superior del espectro de la señal. En este caso, en el extremo receptor, la señal se restaura sin distorsión.
El teorema de Kotelnikov saca conclusiones muy importantes sobre la discretización. Hay diferentes frecuencias de muestreo para diferentes tipos de señales. Para un mensaje de voz (teléfono) con un ancho de canal de 3,4 kHz - 6,8 kHz, y para una señal de televisión - 16 MHz.
En la teoría de la comunicación, existen varios tipos de canales de comunicación. A nivel físico: canales alámbricos, acústicos, ópticos, infrarrojos y de radio. Y aunque el teorema se desarrolló para un canal de comunicación ideal, es aplicable a todos los demás tipos de canales.
Telecomunicaciones multicanal
El teorema de Kotelnikov subyace a las telecomunicaciones multicanal. Al muestrear y transmitir pulsos, el período entre pulsos es mucho mayor que su duración. Esto significa que en los intervalos de pulsos de una señal (esto se llama ciclo de trabajo), es posible transmitir pulsos de otra señal. Se implementaron sistemas para 12, 15, 30, 120, 180, 1920 canales de voz. Es decir, alrededor de 2000 conversaciones telefónicas pueden transmitirse simultáneamente a través de un par de cables.
Basado en el teorema de Kotelnikov, en palabras simples, surgieron casi todos los sistemas de comunicación modernos.
Harry Nyquist
Como sucede a veces en la ciencia, los científicos que se enfrentan a problemas similares llegan casi simultáneamente a las mismas conclusiones. Esto es bastante natural. Hasta ahora, las disputas sobre quién descubrió la ley de conservación: Lomonosov o Lavoisier, quien inventó la lámpara incandescente, Yablochkin o Edison, quien inventó la radio, Popov o Marconi, no han disminuido. Esta lista es interminable.
Sí,El físico estadounidense de origen sueco Harry Nyquist en 1927 en la revista "Certain Problems of Telegraph Transmission" publicó su investigación con conclusiones similares a las de Kotelnikov. Su teorema a veces se denomina teorema de Kotelnikov-Nyquist.
Harry Nyquist nació en 1907, hizo su doctorado en la Universidad de Yale y trabajó en Bell Labs. Allí estudió los problemas de ruido térmico en amplificadores, participó en el desarrollo del primer fototelegrama. Sus obras sirvieron de base para los posteriores desarrollos de Claude Shannon. Nyquist falleció en 1976
Claude Shannon
Claude Shannon a veces es llamado el padre de la era de la información, tan grande es su contribución a la teoría de la comunicación y la informática. Claude Shannon nació en 1916 en los Estados Unidos. Trabajó en Bell Lab y en varias universidades estadounidenses. Durante la guerra, trabajó con Alan Turing para descifrar los códigos de los submarinos alemanes.
En 1948, en el artículo "Teoría Matemática de la Comunicación", propuso el término bit como designación de la unidad mínima de información. En 1949 demostró (independientemente de Kotelnikov) un teorema dedicado a la reconstrucción de una señal a partir de sus muestras discretas. A veces se le llama el teorema de Kotelnikov-Shannon. Es cierto que en Occidente se acepta más el nombre del teorema de Nyquist-Shannon.
Shannon introdujo el concepto de entropía en la teoría de la comunicación. Estudié códigos. Gracias a su trabajo, la criptografía se ha convertido en una ciencia en toda regla.
Kotelnikov y criptografía
Kotelnikov también se ocupó de problemas de códigos ycriptografía. Desafortunadamente, en los días de la URSS, todo lo relacionado con códigos y cifras estaba estrictamente clasificado. Y las publicaciones abiertas de muchas de las obras de Kotelnikov no pudieron serlo. Sin embargo, trabajó para crear canales de comunicación cerrados, cuyos códigos el enemigo no pudiera descifrar.
El 18 de junio de 1941, casi antes de la guerra, se escribió el artículo de Kotelnikov "Fundamentos del cifrado automático", publicado en la colección de 2006 "Criptografía cuántica y el teorema de Kotelnikov sobre claves y lecturas de un solo uso".
Inmunidad al ruido
Con la ayuda del trabajo de Kotelnikov, se desarrolló una teoría de inmunidad potencial al ruido, que determina la cantidad máxima de interferencia que puede haber en un canal de comunicación para que la información no se pierda. Se considera una variante de un receptor ideal, que dista mucho del real. Pero las formas de mejorar el canal de comunicación están claramente definidas.
Exploración espacial
El equipo dirigido por Kotelnikov hizo una gran contribución a los sistemas de comunicaciones espaciales, automatización y telemetría. Sergei Pavlovich Korolev involucró al laboratorio Kotelnikov en la solución de los problemas de la industria espacial.
Se construyeron docenas de puntos de control y medición, vinculados en un único complejo de control y medición.
Se desarrollaron equipos de radar para estaciones espaciales interplanetarias, se realizó mapeo en la atmósfera opaca del planeta Venus. Con la ayuda de dispositivos desarrollados bajo la dirección de Kotelnikov, las estaciones espaciales "Venera" y "Magellan" llevaron a caboáreas de radar del planeta en sectores predeterminados. Como resultado, sabemos lo que se oculta en Venus detrás de densas nubes. Marte, Júpiter, Mercurio también fueron explorados.
Los desarrollos de Kotelnikov han encontrado aplicación en estaciones orbitales y radiotelescopios modernos.
En 1998, V. A. Kotelnikov recibió el premio von Karman. Este es un premio de la Academia Internacional de Astronáutica, que se otorga a personas con pensamiento creativo por una contribución significativa a la investigación espacial.
Busca señales de radio de civilizaciones extraterrestres
El programa internacional para buscar señales de radio de civilizaciones extraterrestres Seti utilizando los radiotelescopios más grandes se lanzó en los años 90. Fue Kotelnikov quien justificó la necesidad de utilizar receptores multicanal para este fin. Los receptores modernos escuchan millones de canales de radio simultáneamente, cubriendo todo el rango posible.
También, bajo su dirección, se llevó a cabo un trabajo que define los criterios para una señal de banda estrecha razonable en ruidos e interferencias en general.
Desafortunadamente, hasta ahora esta búsqueda no ha tenido éxito. Pero en la escala de la historia, se llevan a cabo durante un tiempo muy corto.
El teorema de Kotelnikov se refiere a los descubrimientos fundamentales de la ciencia. Se puede equiparar con seguridad a los teoremas de Pitágoras, Euler, Gauss, Lorentz, etc.
En cada área donde es necesario transmitir o recibir cualquier señal electromagnética, consciente o inconscientemente usamos el teorema de Kotelnikov. Hablamos por teléfono, vemos la televisiónescucha la radio, usa Internet. Todo esto básicamente contiene el principio de muestreo de señales.
