Файл: История техники связи.pdf

Заключение

Как уже отмечалось, выдающимся научным вкладом Хэмминга в теорию связи является его знаменитая статья, посвященная кодам, корректирующим ошибки. Следует, однако, подчеркнуть, что он обладал широчайшей эрудицией и в сферу его научных интересов входил обширный круг математических и технических проблем. Он получил первоклассные научные результаты не только в теории кодирования, но

èв ряде других областей науки.

Â1956 г. Хэмминг, работая над созданием одного из первых компьютеров IBM 650, разработал язык программирования высокого уровня, который применяют и сегодня. Оригинальные работы были выполнены им в области численных методов решения разного рода прикладных математических задач. Им были разработаны новые методы численного интегрирования дифференциальных уравнений и спектрального анализа. Он предложил для сглаживания данных при спектральном анализе использовать «окно Хэмминга», позволяющее осуществлять их предварительную эффективную «фильтрацию», избавляясь от ошибок измерений.

Хэмминг прославил свое имя не только как ученый, но и как выдающийся педагог. С 1962 по 1997 г. он написал восемь книг для ученых и инженеров по прикладным численным методам анализа (1962, 1971 и 1989 гг.), цифровым фильтрам (1977 г.), теории кодирования и теории информации (1980 г.), теории вероятностей и математи- ческой статистике (1985 г.). В этих работах проявилось истинно научное и педагогическое дарование автора, и они пользовались большой популярностью. Три его книги (по численным методам анализа, цифровым фильтрам, теории кодирования и теории информации) были изданы в России.

Создавая замечательные математические книги для инженеров, Хэмминг видел свою задачу не только в том, чтобы изучающие их специалисты получили глубокие знания, но и в том, чтобы они почувствовали сам дух науки. Его девизом было «…цель расчетов не числа, а понимание». В этом он был подобен Г. Лейбницу, который так характеризовал свое творческое кредо: «Я старался писать так, чтобы изучающий всегда мог видеть внутреннюю основу изучаемых им вещей, чтобы он мог обнаружить источник открытия и, следовательно, во всем разобраться так, как если бы он придумал это сам».

Âпоследней весьма интересной книге Хэмминга «Искусство научного исследования и изобретения: учиться изучать» — «The Art of Doing Science and Engineering: Learning to Learn», изданной в 1997 г., изложены его философские взгляды на природу и технологию научного творчества.

Клод Элвуд ШЕННОН

Из всех имен, которым посвящено общественное внимание, нет и, поистине, быть не может более славных, чем имена великих подвижников знания.

Жоффруа Сент-Илер

Введение

Конец ХХ в. был ознаменован бурным развитием цифровых систем связи. За последние 50 лет многократно возросли потоки инфор-

мации, циркулирующие по каналам связи. В ряде развитых стран почти 100% населения охвачены телефонной связью, почти каждый пятый житель Земли в 2006 г. будет иметь мобильный телефон и пользоваться услугами систем сотовой связи. Во многих странах мира началось развитие систем цифрового и звукового вещания. Быстрыми темпами развивается Интернет – универсальная всемирная сеть связи, позволяющая уже сегодня сотням миллионов людей решать свои насущные проблемы, имея свободный доступ к различным базам данных, содержащим информацию по разным научным, социальным, политическим, профессиональным, бытовым и другим вопросам.

Прогресс достигнут благодаря огромным успехам в познании законов природы в области физики и химии, а также развитию полупроводниковой технологии, позволяющей создавать недорогие и компактные радиоэлектронные устройства для передачи, приема и обработки информации. Благодаря прогрессу человечество вступает в новую эпоху создания информационного общества, которое, в том числе благодаря и средствам связи, приведет человечество к единению, утраченному с библейских времен.

Огромное влияние на этот прогресс оказали работы, установившие важнейшие закономерности в области передачи и приема информации. Выдающийся научный вклад в данном направлении был сделан крупнейшим ученым современности Клодом Шенноном — создателем теории информации. Его работы вошли в сокровищницу человеческой мысли. Так же как идеи Ньютона, Эйнштейна, Бора оказали и продолжают оказывать влияние на жизнь последующих поколений, так и фундаментальные идеи Шеннона будут направлять исследования и разработки в области информационных систем.

Биографический очерк

Клод Элвуд Шеннон родился 30 апреля 1916 г. в г. Питоски штата Мичиган, США. Его детство прошло в маленьком городе Гаулорде в Мичигане, где он окончил среднюю школу. Еще в школе у Шеннона проявились исключительные способности к математике, интерес к науке, а также обнаружился талант к созданию моделей различных устройств. Им была построена почти километровая линия телеграфной связи, соединившая его дом с домом друга. Одним из кумиров его детства был знаменитый американский изобретатель Томас Алва Эдисон, который, как это выяснилось позже, был дальним родственником Шеннона.

Шеннон носил имя отца, работавшего нотариусом. Его мать звали Волк Мейбл Кэтрин. В школьные годы Шеннон любил играть с радиоконструктором и с баллотировочным аппаратом — электрическим устройством для подсчета голосов избирателей, которые ему подарил отец. Он также очень любил решать математические головоломки, которые давала ему старшая сестра Кэтрин, ставшая впоследствии профессором математики. По его словам, одним из его сильных юношеских увлече- ний была криптография.

Â1936 г. Шеннон окончил Мичиганский университет по редкой для тех лет специальности — электротехника и математика, получив степень бакалавра. Он начал работать ассистентом-исследователем в знаменитом Массачусетском технологическом институте (МТИ).

ÂМТИ Клод Шеннон до 1940 г. занимался разработкой дифференциального анализатора и теорией релейных и переключающих схем. В 1940 г. в этом институте ему была присвоена степень доктора наук в области математики. После защиты докторской диссертации К. Шеннон год провел в Институте перспективных исследований в Принстоне, в котором в то время вел свои исследования А. Эйнштейн.

С 1941 по 1956 г. Шеннон — сотрудник знаменитой математической Белл-лабора- тории и преподает в качестве профессора электротехники в Мичиганском университете. Во время Второй мировой войны он разрабатывал системы криптографии, одна из которых использовалась для правительственной связи при организации трансокеанских конференций между Президентом США Рузвельтом и Премьер-министром Великобритании Черчиллем. Именно работа в области криптографии привела его, по его же словам, к идеям теории информации.

Â1948 г. в журнале «Bell System Technical Journal» была опубликована самая знаменитая статья Шеннона «Математическая теория связи», заложившая основы теории информации. В 1956 г. он был приглашенным профессором, а с 1958 г. — постоянным профессором МТИ.

Âвозрасте 50 лет в 1966 г. К. Шеннон вышел на пенсию. В течение последующих десяти лет он вел научные исследования. Однако далеко не все результаты были опубликованы, так как он не считал их достаточно важными. Он понимал, что прошел пик своих научных достижений, и говорил: «Большинство великих математиков сделали свои лучшие работы, когда они были молоды».

После 1966 г. К. Шеннон вел свободный образ жизни. На досуге он занимался конструированием механических моделей, и в частности им была создана модель цирка, в котором движущиеся фигурки жонглировали булавами. Одним из его увле-

чений в этот период стала игра на бирже. Он никогда не стремился к богатству, и в данном случае его интерес к этой сложной игре носил научный характер — он решил разработать оптимальную стратегию игры на бирже. По его словам, он с успехом пользовался разработанной стратегией в течение многих лет. Однажды Шеннон выступил в Массачусетском технологическом институте с лекцией, в которой изложил свою теорию, однако подробности своей стратегии не публиковал никогда. До 1972 г. К. Шеннон оставался консультантом в Белл-лаборатории. После выхода в отставку с 1978 г. был почетным профессором МТИ.

Интересы К. Шеннона не ограничивались только академическими исследованиями. Он был замечательным человеком и обладал разносторонними способностями, обожал показывать фокусы и жонглировать. Как фокусник он имел сертификат «доктора магических наук», любил разные механические безделушки, которых собрал у себя дома великое множество. По воспоминаниям Давида Слепяна — крупного американского ученого, работавшего вместе с ним в Белл-лаборатории, в обеденный перерыв в холле лаборатории часто можно было видеть Шеннона, разъезжающего на одноколесном велосипеде и жонглирующего несколькими булавами.

Шеннон изобрел компьютер, выполняющий арифметические операции над римскими цифрами, создал механическое устройство для решения головоломки кубика Рубика, разработал основы создания компьютерных систем для игры в шахматы.

К. Шеннон был счастлив в семейной жизни, женившись в 1949 г. на Мэри Элизабет Мур, также работавшей в Белл-лаборатории и занимавшейся проблемами компьютерной техники. В их семье были три сына и дочь.

Клод Шеннон скончался 24 февраля 2001 г.

Вклад Клода Шеннона в науку

В научных работах Клода Шеннона — выдающегося математика и инженера ХХ в. сочетаются глубокие математические идеи с конкретным анализом сложнейших технических проблем.

Он является творцом теории информации, на результатах которой в значительной степени основан высокий уровень развития систем связи, достигнутый в последние десятилетия. Он внес существенный вклад в теории автоматов, вероятностных схем и управляющих систем — научные направления, объединенные общим понятием «кибернетика».

С 1938 по 1960 г. К. Шенноном было опубликовано 34 работы, причем пик его творческой активности приходится на десятилетие с 1948 по 1958 г., когда он получил свои основные научные результаты, опубликованные в 28 научных статьях. Работы Шеннона стали классикой и вошли в «золотой фонд» науки.

Первая работа К. Шеннона, выполненная под руководством доктора В. Буша, была посвящена исследованию дифференциального анализатора — механического устройства, представляющего собой специализированную аналоговую вычислительную машину, предназначенную для решения системы дифференциальных уравнений. Шеннон рассмотрел математические вопросы теории дифференциального ана-

лизатора и определил условия, при которых с помощью этого устройства могут быть смоделированы функции одного или нескольких переменных. Он также рассмотрел пути его совершенствования, используя вместо механических узлов электрические цепи.

Еще в середине 30-х гг. К. Шеннон обратил внимание на то, что булева алгебра является адекватным математическим аппаратом, описывающим работу контактных схем, применяемых в телефонных коммутаторах, в аппаратуре управления двигателями и в большинстве схем, предназначенных для автоматизации сложных процессов. Результаты этой работы были опубликованы в 1938 г. и легли в основу его магистерской диссертации как инженера-электрика и его докторской диссертации в области математики. Они сразу же получили признание и стали применяться при проектировании телефонных систем. За эту работу в 1940 г. Клод Шеннон был удостоен Американским институтом инженеров-электриков (AIEE) премии Альфреда Нобеля. Поскольку цифровые цепи составляют основу современных компьютеров и оборудования связи, то эти результаты являются одними из наиболее важных, полученных в ХХ столетии. Следует отметить, что примерно в те же годы независимо от К. Шеннона к подобным результатам пришли советский ученый В.И. Шестаков и японский — А. Накасима.

Разработав метод анализа переключающих схем, К. Шеннон занимался исследованиями в данном направлении до 1953 г. и опубликовал еще несколько основополагающих работ. Им были рассмотрены вопросы синтеза двухполюсных переключающих схем, существенно развит метод, впервые предложенный одним из крупнейших математиков ХХ в. Дж. фон Нейманом и позволяющий синтезировать надежные схемы из ненадежных реле, указан метод оценки объема памяти телефонного коммутатора, предложены и обоснованы принципы построения вычислительной машины для проектирования переключающих схем.

Ряд чрезвычайно важных исследований К. Шеннона, выполненных в период с 1950 по 1956 г., был направлен на исследование возможностей создания логических машин, способных решать интеллектуальные задачи. Эти исследования продолжали работу, начатую знаменитыми предшественниками Шеннона в создании теории цифровых вычислительных машин А.М. Тьюрингом и Дж. фон Нейманом. К. Шеннон считал это направление чрезвычайно важным и писал в 1953 г.: «Это — не поднятая целина для ученых. Речь идет не о разработке старых месторождений, а об открытии новых богатых жил и, пожалуй, в некоторых случаях просто о том, чтобы подобрать самородки, лежащие на поверхности». Шеннон одним из первых занялся разработкой играющих машин, и в частности машин для игры в шахматы.

В 1952 г. К. Шенноном была построена лабиринтная машина — механическая мышь, названная им Тезеем в честь мифического греческого героя, победившего страшное чудовище — Минотавра и нашедшего способ выбраться наружу из запутанного лабиринта. Мышь с встроенной памятью могла самостоятельно найти путь в лабиринте, запоминая сделанные ходы и обучаясь выбору правильного пути методом проб и ошибок.

Фундаментальная работа К. Шеннона «Теория связи в секретных системах», завершенная в 1945 г., имела гриф секретности. Лишь в 1949 г. работа была рассекречена и опубликована. Она положила начало целому ряду открытых научных пуб-

ликаций по проблеме засекречивания сообщений. В эпоху развития и массового применения цифровых систем связи данная проблема приобрела особое значение, поскольку засекречивание требуется не только в военных системах, но и в гражданских, по которым передается конфиденциальная информация коммерческого или личного характера.

Важнейшей работой К. Шеннона, которая сделала его всемирно известным ученым, стала опубликованная в 1948 г. статья «Математическая теория связи». В ней был заложен фундамент современной теории и техники передачи, хранения и обработки любой информации и, в частности, теории и техники связи. Установленные им основные закономерности передачи информации по каналам связи дали направление огромному числу исследований, выполненных множеством ученых в США, СССР, Франции, Израиле и других странах. К. Шеннон ввел понятие информации, содержащейся в сообщениях, подлежащих передаче по каналу связи, обобщил идеи Р.В. Хартли, который предложил в качестве меры информации I, содержащейся в М сообщениях, использовать логарифмическую функцию I = log(М). Обобщение Шеннона состояло в том, что он впервые стал рассматривать статисти- ческую структуру передаваемых сообщений и действующих в канале шумов не только как конечные, но и как непрерывные множества сообщений. Созданная им теория информации дала ключ к решению двух основных проблем теории связи: устранение избыточности источника сообщений и кодирование сообщений, передаваемых по каналу связи с шумами.

Решение первой проблемы позволяет устранить избыточность из сообщения, подлежащего передаче, и достичь высокой эффективности использования канала связи.

Решение второй проблемы дает возможность при заданном отношении сигнал/ шум в месте приема, определяющем пропускную способность канала связи, передать по нему сообщения со сколь угодно высокой достоверностью. Для этого необходимо использовать помехоустойчивые коды, а скорость передачи информации по этому каналу должна быть меньше его пропускной способности.

В оригинальных трудах К. Шеннона была доказана принципиальная возможность решения указанных проблем, что явилось в конце 40-х гг. полным откровением для специалистов. Это, как и труды в области теории потенциальной помехоустойчивости, созданной в СССР академиком В. А. Котельниковым, породило целую лавину исследований, продолжающихся уже более 50 лет. Отечественные и американские математики (в СССР — А.Н. Колмогоров, А.И. Хинчин, Р.Л. Добрушин, М.С. Пинскер и др., в США — А. Файнштейн, Р. Галлагер, Дж. Вольфовиц и др.) дали строгую трактовку этой теории.

С учетом фундаментальных законов передачи сообщений, установленных К. Шенноном, создаются современные цифровые системы связи. В соответствии с положениями теории информации в этих системах перед передачей сообщения по каналу связи устраняется его избыточность, а затем оно кодируется с использованием помехоустойчивых кодов. На основе этой теории были разработаны алгоритмы, позволившие значительно сократить избыточность факсимильных, речевых и телевизионных сообщений. Это привело к бурному развитию во второй половине ХХ в. эффективных цифровых систем подвижной, фиксированной и спутниковой связи, а также цифрово-