Файл: История техники связи.pdf

В 1958 г. Винер в совместной работе с американским ученым П. Массани обобщил свою теорию на многомерный случай, когда несколько линейных комбинаций N-сигналов передаются по M-каналам связи, в каждом из которых действуют шумы. Многомерная обработка нескольких сигналов связана с их приемом в телевизионных и сейсмических системах, может иметь место в задачах, в системах комплексной обработки навигационных сигналов и во многих других. В 1960 г. в этой области важные результаты получили американские ученые Е. Вонг и Дж. Томас.

Следует отметить, что независимо от Винера методы оптимизации характеристик фильтров в приемных устройствах радиолокационных систем по критерию максимума отношения сигнал/шум на выходе были разработаны в середине 40-х гг. американскими учеными Д. Норсом (1943 г.), Ван Флеком, Д. Миддлтоном (1944 г.) и членомкорреспондентом Академии наук СССР В.И. Сифоровым (1946 г.).

Теория оптимальной линейной фильтрации послужила основой для теории оптимального приема сигналов с разными видами модуляции (амплитудной, частотной, импульсной).

Научным достижением Винера является введение (практически одновременно с другим крупнейшим ученым Клодом Шенноном) понятия количества информации, которое совершило радикальный переворот в области связи. Это понятие и ряд других результатов по теории информации приведены в третьей главе его книги «Кибернетика». Независимо от Шеннона Винер вывел знаменитую формулу, определяющую пропускную способность канала связи:

C = F ln(1 + Ps/Pn),

где F — полоса частот канала связи, Ps è Pn — мощности полезного сигнала и шума. Винер был знаком с Шенноном с начала 30-х гг., когда Шеннон был студентом на математической кафедре МТИ. Он высоко оценивал научные достижения Шеннона, считая его одним из крупнейших ученых ХХ в. В книге «Я — математик» Винер, вспоминая свое знакомство с Шенноном, писал: «…пути, по которым мы шли в науке, если и не совпадали полностью, то, во всяком случае, пролегали очень близко, и наши

научные связи значительно расширились и углубились».

Следует отметить, что открытие основ теории информации Винер разделяет с Шенноном, однако последний внес в ее развитие решающий вклад. В фундаментальной работе Шеннона «Математическая теория связи» (которая, как и книга Винера «Кибернетика», была опубликована в 1948 г.), а также в других его работах были установлены основные количественные зависимости предельной помехоустойчивости передачи информации от пропускной способности канала связи, скорости передачи информации и длины используемого кода, а также определены предельные возможности устранения избыточности из передаваемых сообщений.

Весьма важным для теории связи является разработанный Винером в 1958 г. метод анализа нелинейных систем, на входе которых действует случайный сигнал. Этот метод Винер изложил в курсе лекций для избранной группы аспирантов — электротехников МТИ. Метод Винера позволяет решать одну из самых сложных и важных для практики задач теории связи — определять энергетический спектр сигнала на выходе устройства, если известны характеристики нелинейного устройства и статистические характеристики сигнала, поступающего на его вход. Подобная задача является типичной для устройств разного назначения, в которых обрабатываются сигналы. Уже многие десятиле-

тия параметры линейных устройств инженеры определяют, подавая на их вход гармонические сигналы. Однако последние не могут быть использованы для идентификации нелинейных устройств. Метод Винера позволяет также осуществлять идентификацию нелинейных устройств, подавая на их вход случайные сигналы.

Заключение

Норберт Винер был человеком яркой индивидуальности, который внес значительный вклад в прогресс науки и мировоззрения людей ХХ столетия.

Он полагал, что ученый должен быть чрезвычайно требовательным, в первую очередь к себе, но он сможет прийти к важным научным результатам, только будучи внутренне свободным человеком: «…ученые не должны быть одним из винтиков современной научной фабрики… быть из-за “духа времени” интеллектуальными лакеями или табельщиками, отмечающими время прихода и ухода с работы… Ученому необходимы контакты с людьми, обладающими ярко выраженной индивидуальностью. Он должен быть в курсе того, что происходит вокруг, иначе его работа не даст настоящих результатов. Он должен жить в мире, где занятия наукой обеспечивают возможность существовать, где есть товарищи, беседуя с которыми можно совершенствовать свои способности».

Винер считал, что к науке нельзя подходить с утилитарных позиций. В своей книге «Я — математик» он писал: «Научные традиции, как рощи секвойи, могут существовать тысячи лет; древесина, которую мы потребляем сейчас, — результат вложений, сделанных солнцем и дождем много веков тому назад. Прибыль от этих вложений налицо… Некоторые научные идеи, возникшие еще во времена Лейбница, то есть около 250 лет тому назад, только сейчас нашли применение в промышленности».

Винер оптимистически смотрел на будущее кибернетики. В интервью, данном «Литературной газете» во время посещения СССР в 1960 г., он утверждал: «Кибернетика — наука, находящаяся в самом начале своего становления. Она найдет самые различные применения в нашей жизни, причем такие, о которых мы сегодня даже не подозреваем». Вместе с тем он считал, что ученый несет моральную ответственность за те последствия, к которым может привести применение выдвинутых им идей. Он предвидел широкое внедрение кибернетики и вычислительной техники и подчеркивал социальную опасность, связанную со злоупотреблением их могущественными силами: «Первая промышленная революция была обесцениванием человеческих рук вследствие конкуренции машин… Современная промышленная революция должна обесценить человеческий мозг, по крайней мере, в его наиболее простых и рутинных функциях. Средний человек со средними или еще меньшими способностями не сможет предложить для продажи ничего, за что стоило бы платить деньги.

Выход один — построить общество, основанное на человеческих ценностях, отлич- ных от купли-продажи. Для строительства такого общества потребуется большая подготовка и большая борьба, которая при благоприятных обстоятельствах может вестись в идейной плоскости, а в противоположном случае — кто знает как».

У каждого человека в распоряжении только одна жизнь и эта жизнь должна быть наполнена трудом и творчеством, или, если использовать приведенные в эпиграфе к данной статье слова Анны Ахматовой, жизнь каждого человека должна быть непрерывной молитвой. Такой была жизнь Норберта Винера.

Эндрю ВИТЕРБИ

То, что сегодня наука, — завтра техника.

Эдвард Теллер

Введение

Эндрю Витерби — один из крупнейших инженеров в области телекоммуникаций и одновременно видный ученый в области теории связи. Его активная деятельность как инженера и ученого началась в 1957 г.

К этому времени В.А. Котельниковым, А.Н. Колмогоровым, С.О. Райсом, Д. Миддл-

тоном, Н. Винером и К. Шенноном уже были получены фундаментальные результаты в области теории связи:

•разработаны основы теории информации (К. Шеннон, Н. Винер);

•заложены основы теории оптимального приема сигналов в присутствии помех (В.А. Котельников, Д. Миддлтон);

•создана теория оптимальной линейной фильтрации сигналов (А.Н. Колмогоров, Н. Винер);

•создан математический аппарат, позволяющий анализировать влияние слу- чайных шумов на прием полезных сигналов (С. Райс, Д. Миддлтон, В.И. Бунимович);

•разработан ряд конструкций кодов, корректирующих ошибки (Р.В. Хэмминг,

П. Элайс, Д. Слепян и др.).

Теория указывала на огромные возможности совершенствования систем связи, основанные на обработке сигналов, передаваемых по каналам связи (кодирование), и использовании оптимальных алгоритмов обработки принимаемого сигнала и шума на приеме. Внедрение научных достижений в технику связи сдерживалось недостаточно развитой технологией производства оборудования, поскольку обработка сигналов на передаче и приеме требовала весьма большого числа операций.

Новые научные результаты образовывали тот интеллектуальный арсенал, который постепенно осваивали молодые инженеры, оканчивающие высшие школы. Это требовало хорошей математической подготовки и больших усилий. Результаты открывали перед учеными и инженерами удивительные перспективы развития теории связи и выполнения оригинальных разработок нового оборудования.

Витерби оказался одним из тех, кому удалось внедрить в технику связи многие из идей, которые были выдвинуты его предшественниками. В нем соединились талант ученого, педагога и инженера. Им были предложены оригинальные и весьма плодотворные научные идеи в области теории связи. С его именем связано внедрение но-

вых научных результатов в важнейшие разработки систем, предоставляющих услуги связи миллионам людей. Он прекрасно владел теорией и многие годы преподавал в крупнейших университетах США — в Калифорнийском университете (КУ) в ЛосАнджелесе, в Массачусетском технологическом институте, в Южнокалифорнийском (ЮКУ) и Мичиганском университетах и др. Кроме того, он один из крупнейших бизнесменов современности, организаторов производства и основателей солидных телекоммуникационных компаний Linkabit и Qualcomm.

Биографический очерк

Эндрю Витерби родился в Италии 17 февраля 1935 г. в еврейской семье. В 30-х гг. к власти в Италии пришли фашисты во главе с Муссолини и были приняты расистские законы. Из-за нарастающего в стране антисемитизма его отец, врач по профессии, был вынужден в 1939 г. эмигрировать в США. Два года семья Витерби жила в Нью-Йорке, а в 1941 г. переехала в Бостон. Витерби учился в одной из старейших школ США — средней латинской школе, основанной еще в 1635 г. Он закончил ее в 1952 г.

Еще в школьные годы Витерби мечтал поступить в Массачусетский технологический институт (МТИ). Он поступил в него и успешно окончил в 1957 г., получив степень бакалавра и магистра.

Сразу после окончания МТИ он начинает работать в лаборатории реактивных двигателей (Jet Propulsion Laboratory — JPL). В 1957—1963 гг. в исследовательском секторе он занимается разработкой систем телеметрии, проектированием следящих систем и, в частности, систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). С самого начала своей деятельности в JPL он принимает участие в программе по созданию одного из первых в мире спутников связи «Эксплорер-1». Большое влияние на его инженерную карьеру оказало то, что в JPL он приобрел опыт разработки радиосистем, в которых используется технология расширения спектра, применявшаяся, в частности, в системах инерциального наведения ракет.

В начале 60-х гг. семья Витерби переезжает на западное побережье США. Он начи- нает преподавать в КУ и занимается проблемами цифровой связи. В 1960—1962 гг. пишет докторскую диссертацию, выполняет первые теоретические работы в этом направлении. Диссертацию он успешно защитил в 1962 г. в ЮКУ. После защиты с 1963 г. продолжал преподавать в КУ, совмещая научную и преподавательскую деятельность с консультационной. В качестве консультанта он продолжал работать в компании JPL, а также в таких крупных компаниях, как «Хьюз» и «Локхид», консультируя их по проблемам, связанным с созданием систем связи.

Работает Э. Витерби много и плодотворно и в 1966 г. выпускает свою первую книгу «Принципы когерентной связи». Она базировалась на лекциях, которые он читал в различных университетах США. Книга Витерби получила мировое признание. В 1970 г. в СССР вышел ее русский перевод под редакцией профессора Б.Р. Левина.

Одной из сложнейших проблем теории связи, имеющих важное практическое зна- чение, является проблема создания достаточно простых в реализации алгоритмов декодирования кодов, исправляющих ошибки. Эта проблема привлекла внимание

Витерби, и в 1966 г. он разрабатывает весьма эффективный алгоритм декодирования сверточных кодов, который сегодня носит его имя. Алгоритм Витерби в апреле 1967 г. был опубликован в журнале IEEE Transaction of Communication Technology и сразу же привлек внимание ученых.

Â1968 г. начинается новый этап биографии Витерби. Вместе со своими коллегами по КУ — крупным американским ученым профессором Ирвином Джекобсом и Леном Клейнроком он создает консалтинговую компанию Linkabit, которая заняла прочные позиции на телекоммуникационном рынке США. В этой компании под руководством Витерби и Джекобса были выполнены многие важные исследования и разработки в области связи для нужд Министерства обороны США. Компания Linkabit сотрудни- чала с рядом крупных американских компаний, производящих оборудование связи для армии США, и, в частности, с одной из крупнейших правительственных компаний M/A-COM, занимающейся производством систем спутниковой и авиационной связи. В начале 80-х гг. Linkabit стала достаточно крупной компанией, имела годовой доход 25 млн долл. и в ней работало 1400 человек. В середине 80-х гг. она была приобретена компанией M/A-COM.

Работая вице-президентом, а позже президентом компании Linkabit, Витерби до 1973 г. не прекращал преподавательской и исследовательской работы в качестве профессора в школе инженерных и прикладных наук в КУ. В 1973 г. вышла его вторая книга «Принципы цифровой связи и кодирования», написанная совместно с коллегой по университету – известным американским ученым профессором Джимом Омурой.

Âоснову ее были положены учебные курсы, которые читались авторами в КУ и ЮКУ. Эта книга также получила международное признание и в 1982 г. была издана на русском языке под редакцией профессора К.Ш. Зигангирова.

После продажи компании Linkabit Витерби и Джекобс весной 1985 г. организовали новую телекоммуникационную компанию Qualcomm. Сначала в ней работало всего семь инженеров и один секретарь. Высокий научный потенциал и коммерческий опыт ее основателей обеспечили быстрое развитие компании, и на сегодня в ней работают более 8000 специалистов. Это одна из крупнейших телекоммуникационных компаний мира, производящих широкий спектр самого современного оборудования.

Витерби был главным инженером компании. В ней был разработан целый ряд систем связи с кодовым уплотнением каналов (CDMA) на основе технологии расширения спектра. Из наиболее известных достижений Qualcomm отметим систему сотовой подвижной связи, которая получила широкое распространение во многих странах.

Â1995 г. Витерби выпускает свою третью книгу «CDMA — Principles of spread spectrum communication» (Readiing, MA; Addison — Wesley) — «CDMA – принципы построения систем связи с расширением спектра», в которой изложены основные положения теории систем CDMA. В книге впервые были представлены многочисленные свойства технологии CDMA, которая ранее применялась исключительно в военных системах, а в последнее десятилетие ХХ в. начала широко использоваться в коммерческих радиосистемах.

17 февраля 2000 г. Витерби исполнилось 65 лет, и он принял решение выйти на пенсию. Однако он остался членом совета директоров компании Qualcomm и на общественных началах продолжал участвовать в деятельности различных правитель-