À la fin du XIXe et au début du XXe siècle, les communications téléphoniques et radio se développent rapidement. En 1882, le premier central téléphonique de Russie a été lancé à Saint-Pétersbourg. Cette station comptait 259 abonnés. Et à Moscou, à peu près au même moment, il y avait 200 abonnés.
En 1896, Alexander Popov a transmis le premier signal radio sur une distance de 250 mètres, composé de seulement deux mots: "Heinrich Hertz".
Le développement des communications a été à la pointe du progrès technologique. Un peu plus d'un siècle s'est écoulé depuis, et grâce au travail des scientifiques et des ingénieurs de cette industrie, nous voyons comment le monde a changé.
Nous ne pouvons pas imaginer nos vies sans téléphone, radio, télévision et Internet. Celle-ci est basée sur la propagation des ondes électromagnétiques, dont la théorie a été développée par James Clerk Maxwell au milieu du XIXe siècle. Les ondes électromagnétiques sont porteuses de signaux utiles et, dans la théorie de la transmission des signaux, le théorème du scientifique et ingénieur russe, l'académicien Vladimir Alexandrovitch Kotelnikov, joue un rôle fondamental.
Il est entré dans la science sous le nom de théorème de Kotelnikov.
Vladimir AleksandrovitchKotelnikov
Le futur académicien est né en 1908 dans une famille de professeurs de l'Université de Kazan. A étudié à MVTU im. Bauman, a assisté à des conférences qui l'intéressaient à l'Université d'État de Moscou. En 1930, la faculté de génie électrique, où Kotelnikov a étudié, a été transformée en Institut de génie électrique de Moscou, et Kotelnikov en est diplômé. Après ses études, il a travaillé dans diverses universités et laboratoires. Pendant la guerre, il a dirigé le laboratoire d'un institut de recherche fermé à Ufa, où il s'est occupé des problèmes de canaux de communication sécurisés et d'encodage des messages.
De tels développements sont mentionnés par Soljenitsyne dans son roman "Dans le premier cercle".
Pendant une quarantaine d'années, il a été responsable du Département "Fondamentaux de l'Ingénierie Radio", et a été Doyen de la Faculté d'Ingénierie Radio. Plus tard, il est devenu directeur de l'Institut d'ingénierie radio et d'électronique de l'Académie des sciences de l'URSS.
Tous les étudiants des spécialités concernées étudient toujours selon le manuel de Kotelnikov "Theoretical Foundations of Radio Engineering".
Kotelnikov a également traité des problèmes de radioastronomie, de recherche radiophysique des océans et de recherche spatiale.
Il n'a pas eu le temps de publier son dernier ouvrage "Model Quantum Mechanics", écrit déjà à l'âge de presque 97 ans. Il n'est sorti qu'en 2008
V. A. Kotelnikov est décédé à l'âge de 97 ans le 11 février 2005. Il a été deux fois un héros du travail socialiste et a reçu de nombreux prix du gouvernement. L'une des planètes mineures porte son nom.
Théorème de Kotelnikov
Développement de systèmes de communicationsoulève de nombreuses questions théoriques. Par exemple, des signaux de quelle gamme de fréquences peuvent être transmis sur des canaux de communication, de structure physique différente, avec une bande passante différente, afin de ne pas perdre d'informations lors de la réception.
En 1933, Kotelnikov a prouvé son théorème, autrement appelé théorème d'échantillonnage.
Formulation du théorème de Kotelnikov:
Si un signal analogique a un spectre fini (limité en largeur), alors il peut être reconstruit sans ambiguïté et sans perte à partir de ses échantillons discrets pris à une fréquence strictement supérieure à deux fois la fréquence supérieure.
Décrit le cas idéal lorsque la durée du signal est infinie. Il n'a pas d'interruptions, mais il a un spectre limité (par le théorème de Kotelnikov). Cependant, le modèle mathématique décrivant les signaux à spectre limité est bien applicable en pratique aux signaux réels.
Basé sur le théorème de Kotelnikov, une méthode de transmission discrète de signaux continus peut être implémentée.
Signification physique du théorème
Le théorème de Kotelnikov peut être expliqué en termes simples comme suit. Si vous avez besoin de transmettre un certain signal, il n'est pas nécessaire de le transmettre dans son intégralité. Vous pouvez transmettre ses impulsions instantanées. La fréquence d'émission de ces impulsions est appelée fréquence d'échantillonnage dans le théorème de Kotelnikov. Elle doit être le double de la fréquence supérieure du spectre du signal. Dans ce cas, à la réception, le signal est restitué sans distorsion.
Le théorème de Kotelnikov tire des conclusions très importantes sur la discrétisation. Il existe différentes fréquences d'échantillonnage pour différents types de signaux. Pour un message vocal (téléphonique) avec une largeur de canal de 3,4 kHz - 6,8 kHz, et pour un signal de télévision - 16 MHz.
Dans la théorie de la communication, il existe plusieurs types de canaux de communication. Au niveau physique - canaux filaires, acoustiques, optiques, infrarouges et radio. Et bien que le théorème ait été développé pour un canal de communication idéal, il est applicable à tous les autres types de canaux.
Télécommunications multicanaux
Le théorème de Kotelnikov sous-tend les télécommunications multicanaux. Lors de l'échantillonnage et de la transmission d'impulsions, la période entre les impulsions est bien supérieure à leur durée. Cela signifie que dans les intervalles d'impulsions d'un signal (c'est ce qu'on appelle le rapport cyclique), il est possible de transmettre des impulsions d'un autre signal. Des systèmes pour 12, 15, 30, 120, 180, 1920 canaux vocaux ont été mis en œuvre. Autrement dit, environ 2 000 conversations téléphoniques peuvent être transmises simultanément sur une paire de fils.
Basé sur le théorème de Kotelnikov, en termes simples, presque tous les systèmes de communication modernes sont apparus.
Harry Nyquist
Comme c'est parfois le cas en science, les scientifiques confrontés à des problèmes similaires arrivent presque simultanément aux mêmes conclusions. C'est tout à fait naturel. Jusqu'à présent, les différends ne se sont pas calmés quant à savoir qui a découvert la loi de conservation - Lomonosov ou Lavoisier, qui a inventé la lampe à incandescence - Yablochkin ou Edison, qui a inventé la radio - Popov ou Marconi. Cette liste est interminable.
Oui,Le physicien américain d'origine suédoise Harry Nyquist en 1927 dans la revue "Certain Problems of Telegraph Transmission" a publié ses recherches avec des conclusions similaires à celles de Kotelnikov. Son théorème est parfois appelé le théorème de Kotelnikov-Nyquist.
Harry Nyquist est né en 1907, a fait son doctorat à l'université de Yale et a travaillé aux Bell Labs. Là, il étudie les problèmes de bruit thermique dans les amplificateurs, participe au développement du premier phototélégraphe. Ses travaux ont servi de base aux développements ultérieurs de Claude Shannon. Nyquist est décédé en 1976
Claude Shannon
Claude Shannon est parfois appelé le père de l'ère de l'information tant sa contribution à la théorie de la communication et à l'informatique est grande. Claude Shannon est né en 1916 aux États-Unis. Il a travaillé au Bell Lab et dans plusieurs universités américaines. Pendant la guerre, il travaille avec Alan Turing pour déchiffrer les codes des sous-marins allemands.
En 1948, dans l'article "Théorie mathématique de la communication", il propose le terme bit comme désignation de l'unité minimale d'information. En 1949, il prouve (indépendamment de Kotelnikov) un théorème dédié à la reconstruction d'un signal à partir de ses échantillons discrets. Il est parfois appelé théorème de Kotelnikov-Shannon. Certes, en Occident, le nom du théorème de Nyquist-Shannon est plus accepté.
Shannon a introduit le concept d'entropie dans la théorie de la communication. J'ai étudié les codes. Grâce à ses travaux, la cryptographie est devenue une science à part entière.
Kotelnikov et la cryptographie
Kotelnikov a également traité des problèmes de codes etcryptographie. Malheureusement, à l'époque de l'URSS, tout ce qui concernait les codes et les chiffres était strictement classifié. Et les publications ouvertes de nombreuses œuvres de Kotelnikov ne pouvaient pas l'être. Cependant, il a travaillé pour créer des canaux de communication fermés, dont les codes ne pouvaient pas être déchiffrés par l'ennemi.
18 juin 1941, presque avant la guerre, l'article de Kotelnikov "Les bases du chiffrement automatique" a été écrit, publié dans la collection 2006 "Quantum cryptography and Kotelnikov's theorem on one-time keys and readings".
Immunité au bruit
Avec l'aide des travaux de Kotelnikov, une théorie de l'immunité potentielle au bruit a été développée, qui détermine la quantité maximale d'interférences pouvant se trouver dans un canal de communication afin que les informations ne soient pas perdues. Une variante d'un récepteur idéal, qui est éloignée du vrai, est considérée. Mais les moyens d'améliorer le canal de communication sont clairement définis.
Exploration spatiale
L'équipe dirigée par Kotelnikov a apporté une grande contribution aux systèmes de communications spatiales, d'automatisation et de télémétrie. Sergei Pavlovich Korolev a impliqué le laboratoire Kotelnikov dans la résolution des problèmes de l'industrie spatiale.
Des dizaines de points de contrôle et de mesure ont été construits, reliés en un seul complexe de contrôle et de mesure.
L'équipement radar pour les stations spatiales interplanétaires a été développé, la cartographie a été réalisée dans l'atmosphère opaque de la planète Vénus. À l'aide d'appareils développés sous la direction de Kotelnikov, les stations spatiales "Venera" et "Magellan" ont réalisézones radar de la planète dans des secteurs prédéterminés. En conséquence, nous savons ce qui se cache sur Vénus derrière des nuages denses. Mars, Jupiter, Mercure ont également été explorés.
Les développements de Kotelnikov ont trouvé une application dans les stations orbitales et les radiotélescopes modernes.
En 1998, V. A. Kotelnikov a reçu le prix von Karman. Il s'agit d'un prix de l'Académie internationale d'astronautique, qui est décerné à des personnes ayant une pensée créative pour une contribution significative à la recherche spatiale.
Rechercher des signaux radio de civilisations extraterrestres
Le programme international de recherche des signaux radio des civilisations extraterrestres Seti utilisant les plus grands radiotélescopes a été lancé dans les années 90. C'est Kotelnikov qui a justifié la nécessité d'utiliser des récepteurs multicanaux à cette fin. Les récepteurs modernes écoutent des millions de canaux radio simultanément, couvrant toute la gamme possible.
De plus, sous sa direction, des travaux ont été menés pour définir les critères d'un signal à bande étroite raisonnable dans le bruit général et les interférences.
Malheureusement, jusqu'à présent, cette recherche n'a pas abouti. Mais à l'échelle de l'histoire, elles se déroulent sur un temps très court.
Le théorème de Kotelnikov fait référence à des découvertes scientifiques fondamentales. Il peut être mis sur un pied d'égalité avec les théorèmes de Pythagore, Euler, Gauss, Lorentz, etc.
Dans tous les domaines où il est nécessaire de transmettre ou de recevoir des signaux électromagnétiques, nous utilisons consciemment ou inconsciemment le théorème de Kotelnikov. On se parle au téléphone, on regarde la téléécouter la radio, utiliser Internet. Tout cela contient essentiellement le principe d'échantillonnage des signaux.
