Файл: История техники связи.pdf

было отмечено, что «...самое полезное в жизни — совершенствовать свое познание и ум,

èв этом состоит высшее счастье и блаженство человека». Отец Винера воспитанию

èобразованию своих детей уделял серьезное внимание.

Норберт Винер был вундеркиндом, и отец сознательно готовил его к карьере ученого. В 3 года он начал читать, в 7 лет он уже читал Дарвина и Данте, в 11 — окончил среднюю школу, а в 14 — высшее учебное заведение Тафтс-колледж, получив степень бакалавра искусств. В 17 лет закончил аспирантуру Гарвардского университета и стал магистром искусств, а в 18 — доктором философии по специальности «математическая логика». Норберт Винер, как и его отец, знал многие европейские языки — французский, немецкий, датский, испанский, английский, голландский, китайский. Имел философское образование. У Норберта были две сестры — старшая Констанс и младшая Берта и брат Фриц. Старшая сестра, так же как и Винер, стала математиком, а младшая — химиком.

После окончания Гарвардского университета Винер получил стипендию и два года провел в Европе. В 1913—1915 гг. он обучался в двух университетах: Кембриджском — в Англии и Геттингенском — в Германии. В Кембридже он занимался у Бертрана Рассела — философа и крупного английского математика–специалиста в области математической логики, а также у известного специалиста в области теории чисел Дж. Х. Харди. В Геттингене Винер слушал лекции выдающегося математика ХХ в. Д. Гильберта и философа Э. Гуссерля.

Завершив образование в 1915 г. в Колумбийском университете Нью-Йорка, Винер получает место ассистента на кафедре философии в Гарварде. Поначалу его научная карьера не складывалась. Одно время он был журналистом, намеревался поступить на службу в армию. В 1919 г. он наконец получает работу в знаменитом Массачусетском технологическом институте (МТИ), в котором проработал всю жизнь. Этому институту он посвятил книгу «Я — математик», указав в посвящении, что обязан ему «…возможностью работать и размышлять обо всем, что меня интересует».

Академическая карьера Винера протекала медленно, но успешно. Его имя приобретает авторитет среди ученых в Америке и Европе. Он издает нашедшие признание книги по математике: «Обобщенный гармонический анализ», «Тауберовы теоремы», «Интеграл Фурье и некоторые его применения», совместно с английским математиком Р. Пэйли выпускает монографию «Преобразование Фурье в комплексной области». Книга «Интеграл Фурье и некоторые его применения» в 1963 г. была переведена на русский язык. Совместно с немецким математиком Э. Хопфом он выполняет исследование о радиационном равновесии звезд и вводит в науку уравнение Винера– Хопфа, сыгравшее большую роль при разработке Винером теории оптимальной линейной фильтрации. Эта теория оказала впоследствии большое влияние на развитие теории связи. В 1932 г. Винер становится профессором МТИ.

Как это нередко бывает с крупными учеными, Винер был рассеянным человеком, постоянно погруженным в свои мысли. Один из его учеников вспоминал, что когда Винер читал лекции (а они всегда были импровизацией, и читал он их, не пользуясь записями), он становился к слушателям спиной и начинал писать на доске формулы, разговаривая как бы сам с собой. Время от времени он останавливался, говорил сам себе, что в выкладках допущена ошибка, стирал написанное и начинал снова заполнять доску сложными формулами. После завершения лекции, не прощаясь, быстро выходил из аудитории. Слушателям понять его лекции было сложно. Тем не менее

все лекции пользовались огромной популярностью. Несмотря на странности характера, отношение Винера к людям было доброжелательным. Некоторые его ученики стали впоследствии крупными учеными.

Â1926 г. Винер женился. Его жена Маргарет Энгеман была преподавателем современных языков в Джунитата — колледже в Пенсильвании. В 1928 г. у них рождается дочь Барбара, а в 1930 г. — дочь Пегги. Барбара впоследствии стала журналисткой, а Пегги — биохимиком и работала в крупной фармацевтической фирме.

На 1935—1936 гг. Винер избирается вице-президентом Американского математического общества (АМО). В 30-е гг. Винер сближается с мексиканским ученымфизиологом Артуром Розенблютом и участвует в организованном им методологи- ческом семинаре совместно с представителями разных наук, где обсуждается широкий спектр научных проблем, в том числе проблемы биологии и медицины.

Âэти годы Винер вырабатывает универсальный подход к проблемам современной науки.

Во время Второй мировой войны Винер работает в военной лаборатории МТИ, где создавались радиолокационные системы, и занимается разработкой проблем автоматического управления огнем зенитной артиллерии. Но главным для Винера и его коллег было проектирование вычислительной машины, предназначенной для управления зенитным огнем. Напрашивалось размышление о том, как человек или животное осуществляет целенаправленное действие. Так возникала новая наука, идеи которой изложены в книге «Кибернетика».

Â1942 г. он составляет для военных секретный отчет о результатах выполненных исследований. Только в 1949 г. они были рассекречены и изданы в виде монографии «Интерполяция, экстраполяция и сглаживание стационарных временных рядов». Книга содержала основы статистической теории связи. Она была издана в желтом переплете, и ее, вследствие математической сложности, инженеры-связисты называли «желтой опасностью».

Вышедшая в 1948 г. самая знаменитая книга Винера «Кибернетика», принесшая ему мировую славу, по сути — сборник идей, позволяющих с единых методических позиций изучать широчайший спектр проблем техники, физики, биологии, физиологии, медицины, психологии, социологии. Именно об идеях такого глобального масштаба Иосиф Бродский замечательно сказал: «Главное — это величие замысла». Винер показывает, как наука может упорядочить огромный материал из разных областей, наладить сотрудничество ученых разных специальностей, вооружить их общепонятным языком и взаимоприемлемой методикой. Одна из глав книги посвящена непосредственно проблемам информации и связи. Книга содержит также философские размышления о путях развития науки и человека.

Âпоследующие годы Винер занимался разработкой и популяризацией идей кибернетики. Свои мысли он излагал в книгах и статьях: «Человеческое использование человеческих существ» (в книге «Кибернетика и общество». ИЛ. 1958), «Акционерное общество Бог и Голем» (в книге «Творец и робот». Прогресс. 1966), «Мое отношение к кибернетике — ее прошлое и будущее» (Сов. радио, 1967).

Â1958 г. выходит фундаментальная монография Винера «Нелинейные проблемы в теории случайных процессов», которая в 1961 г. переведена на русский язык. Эта книга также сыграла важную роль в развитии теории связи.

В 1960 г. Н. Винер посещает СССР, где участвует в работе Первого конгресса Международной федерации автоматического управления. Он выступает в Политехническом музее с лекциями о мозговых волнах, публикует несколько статей в советских научных и философских журналах.

Винером написано несколько художественных книг. В 1951 и 1956 гг. были опубликованы две его биографические книги: первая — «Бывший вундеркинд» посвящена детству и юношеским годам ученого, вторая — «Я — математик» рассказывает о становлении и развитии его как ученого. В 1959 г. вышел художественный роман Винера «Искуситель», посвященный изобретателю, сделавшему великое открытие.

Винер активно общался и сотрудничал со многими выдающимися учеными. В 20—30-е годы он устанавливает научные контакты с крупнейшими европейскими специалистами — математиками М. Фреше, Ж. Адамаром, физиками Н. Бором, М. Борном, Дж. Берналом, активно участвует во многих международных математи- ческих конгрессах, подолгу живет в Кембридже и Геттингене. В 1935—1936 гг. посещает Китай и читает лекции в пекинском университете Цинхуа, а в 1953—1954 гг. совершает научное турне и выступает с лекциями в ряде университетов в Индии.

Винер заслужил широкое признание в научной среде. За свои достижения в области математики он был награжден премиями АМО: в 1933 г. — премией Боша, в 1934 г. — премией как лучший лектор, в 1947 г. — премией Гиббса. В 1963 г. Винер за выдающиеся научные заслуги в области математики, техники и биологии награждается высшей американской наградой для ученых — Национальной медалью науки.

Норберт Винер скончался в Стокгольме 18 марта 1964 г. в возрасте 69 лет.

Вклад Винера в теорию связи и информации

Работы Н. Винера и других крупнейших ученых современности — А.Н. Колмогорова, А.Я. Хинчина, К. Шеннона, В.А. Котельникова, С.О. Райса, Д. Миддлтона, Р.Л. Стратоновича образуют фундамент современной теории связи. Они касаются вопросов, связанных с теорией преобразования Фурье, операционным исчислением Хевисайда, теорией случайных процессов и теорией информации.

Проблемами теории связи Винер начал заниматься еще в 20-х гг., когда по заданию кафедры электротехники МТИ начал работать над строгим логическим обоснованием операционного исчисления Хевисайда.

Основополагающей для теории связи является работа Винера «Интерполяция, экстраполяция и сглаживание стационарных временных рядов», которая сыграла главную роль в создании методов синтеза оптимальных устройств обработки принимаемых сигналов. Содержащиеся в ней результаты позволяли синтезировать оптимальные физически реализуемые линейные фильтры, которые на своем выходе формировали наиболее точную оценку действующего на их входе сигнала или его экстраполяцию (предсказание), используя все ранее принятые значения этого сигнала. Исходными данными для такого синтеза являлись корреляционные функции (спектры мощности) сигналов и шумов, действующих на входе фильтра, а переходная характеристика оптимального фильтра определялась интегральным уравнением Винера–Хопфа с ядром, равным корреляционной функции процесса на входе фильтра.

Теория оптимальной линейной фильтрации играет решающую роль в современной теории связи. Линейные фильтры в качестве основных элементов используются в любых (в том числе и нелинейных) устройствах обработки принимаемых сигналов.

Вспоминая историю разработки теории оптимальной линейной фильтрации, Винер в своей автобиографической книге «Я — математик» написал: «Когда я писал свою первую работу по теории прогнозирования, я не предполагал, что некоторые из основных математических идей этой статьи уже опубликованы до меня. Но вскоре я обнаружил, что незадолго до Второй мировой войны советский математик Колмогоров напечатал в Докладах Французской академии наук небольшую, но очень важную заметку, посвященную этой же теме. В своей работе Колмогоров ограничился изучением дискретных последовательностей, в то время как я изучал случай непрерывного времени. Колмогоров ничего не говорил о фильтрах и вообще не касался вопросов, имеющих хоть какое-нибудь отношение к электротехнике».

Таким образом, авторами основных положений, образующих фундамент современной теории и практики связи, являются два выдающихся ученых — академик А.Н. Колмогоров и Н. Винер.

Â1942 г., работая в военной лаборатории МТИ, Винер провел исследование прохождения случайного сигнала через нелинейное устройство. Эта работа была, повидимому, одной из первых, в которой статистические методы применялись к проблемам приема сигналов. К крупным научным заслугам Винера следует отнести применение статистических методов к вопросам теории связи и их популяризацию. Сегодня эти методы получили повсеместное распространение.

У каждого созидателя имеются как предшественники, так и последователи.

Êсвоим предшественникам Винер относил американского физика Уилларда Гиббса, заложившего математический фундамент статистической механики. Еще великий Ньютон, говоря о преемственности научных идей, как-то заметил: «Если я видел дальше, чем другие, то потому, что стоял на плечах гигантов».

Âпоследующие годы теория оптимальной линейной фильтрации Винера–Колмо- горова получила дальнейшее развитие. Советский ученый А.М. Яглом провел по совету А.Н. Колмогорова исследование идей работы своего учителя, опубликованной в Докладах Французской академии наук в 1939 г. Результаты исследования были опубликованы в журнале «Успехи математических наук» в 1952 г. В статье «Введение в теорию стационарных случайных функций» приведены формулы, позволяющие определить характеристики оптимальных линейных фильтров, экстраполяторов или интерполяторов принимаемых случайных сигналов, а также выражения для ошибки фильтрации, экстраполяции или интерполяции этих сигналов.

Профессор Ю.В. Ли — ученик Винера, бывший в 30-х гг. аспирантом МТИ, откликнулся на предложения своего учителя и в 1960 г. написал книгу «Статистическая теория связи», в которой винеровская теория оптимальной линейной фильтрации была представлена в доступной для инженеров форме. Винер питал большой интерес к прикладным исследованиям и привлек своего аспиранта к решению практических задач. В книге изложены разработанные этими учеными методы синтеза оптимальных линейных систем средствами ортогональных функций. На основе этих методов они в начале 30-х гг. изобрели и получили патенты, в которых воплотились математические идеи Винера о применении ортогональных функций Лагерра к проектированию электрических фильтров.