Կոտելնիկովի թեորեմ

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
Jump to navigation Jump to search

Կոտելնիկովի թեորեմ (անգլալեզու գրականությունում՝ Նայկվիստ-Շենոնի թեորեմ, հաշվարկների թեորեմ), ազդանշանների թվային մշակման բնագավառի հիմնարար պնդումներից, որը կապ է հաստատում անընդհատ և դիսկրետ ազդանշանների միջև և ըստ որի՝ «0-ից հաճախություններից կազմված ցանկացած ֆունկցիա կարելի է ցանկացած ճշտությամբ անընդհատ փոխանցել միմյանցից վայրկյան հետևող թվերի օգնությամբ»[1]։

Թեորեմի ապացուցման ժամանակ հաճախային սպեկտրի վրա դրվում է սահմանափակումը, որտեղ е [2]։

Պարզաբանում[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Իդեալական դեպքում ազդանշանը սկսվում է անվերջ երկար ժամանակ առաջ և չի ավարտվում, ինչպես նաև ժամանակային բնութագրում խզման կետեր չունի։ Եթե ազդանշանի ժամանակային կախվածության ֆունկցիան որևէ սեռի խզում ունի, սպեկտրալ հզորությունը ոչ մի կետում զրո չի դառնում։ Հենց դա է ենթադրվում «վերևից վերջավոր հաճախությամբ սահմանափակված սպեկտր» հասկացությունը։

Բնականաբար իրական ազդանշանները (օրինակ՝ ձայնը թվային կրիչում) չունեն այդպիսի հատկություններ, քանի որ վերջավոր են ժամանակի մեջ և սովորաբար խզումներ ունեն ժամանակային բնութագրում։ Համապատասխանաբար՝ նրանց սպեկտրի լայնությունն անվերջ է։ Նման դեպքում ազդանշանի լրիվ վերականգնումը հնարավոր չէ, և Կոտելնիկովի թեորեմից բխում են հետևյալ հետևանքները [3][4]:

  • ցանկացած անալոգ ազդանշան կարելի է նախընտրած ճշտությամբ վերականգնել ըստ իր դիսկրետ հաշվարկի, վերցրած հաճախությամբ, որտեղ -ն իրական ազդանշանի սպեկտրով սահմանափակված առավելագույն հաճախությունն է։
  • եթե ազդանշանում առավելագույն հաճախությունը հավասար է կամ չի գերազանցում դիսկրետացման հաճախության կեսը (սպեկտրի վերադրում), ապա գոյությունը չունի ազդանշանը դիսկրետից անալոգի առանց աղավաղումների վերականգնելու եղանակ[5]։

Ավելի լայն ասած՝ Կոտելնիկովի թեորեմը պնդում է, որ անընդհատ ազդանշանը կարելի է ներկայացնել հետևյալ ինտերպոլյացիոն տեսքով՝

որտեղ ֆունկցիան է։ Դիսկրետացման ինտերվալը բավարարում է սահմանափակմանը։ Տվյալ շարքի ակնթարթային արժեքները ազդանշանի դիսկրետ հաշվարկներ են։

Պատմություն[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Անգլալեզու գրականությունում այս թեորեմը հաճախ կոչում են Նայկվիստի թեորեմ՝ հղելով վերջինիս «Certain topics in telegraph transmission theory» (1928) աշխատությանը։ Սակայն այս աշխատության մեջ քննարկվում է միայն իմպուլսային ազդանշանի հաղորդման համար կապի գծերի պահանջվող շերտը (հետևելու հաճախությունը պետք է փոքր լինի շերտի կրկնապատիկից)։ Ուստի հաշվարկների թեորեմի կոնտեքստում ճիշտ է խոսել միայն Նայկվիստի հաճախության մասին։ Մոտավորապես նույն ժամանակ նույն արդյունքն է ստացել Կառլ Կուպֆմյուլլերը[6]։ Այս աշխատանքներում խոսք չկա դիսկրետ հաշվարկներով ելքային ազդանշանի լրիվ վերականգնման մասին։ Թեորեմը ձևակերպել և ապացուցել է Վլադիմիր Կոտելնիկովը 1933 թվականին «Եթերի և հաղորդալարերի թողունակային հատկության մասին էլեկտրակապում» աշխատության մեջ, որտեղ, մասնավորապես, թեորեմը ձևակերպվել է հետևյալ կերպ. [7][8]: «0-ից հաճախություններից կազմված ցանկացած , ֆունկցիա կարելի է ցանկացած ճշտությամբ անընդհատ հաղորդել միմյանցից վայրկյան» հետո եկող թվերի օգնությամբ։ Նրանից անկախ այս թեորեմը 1949 թվականին (16 տարի անց) ապացուցել է Կլոդ Շենոնը[9], այդ պատճառով արևմտյան գրականության մեջ այս թեորեմը հաճախ անվանում են Շենոնի թեորեմ։ 1999 թվականին Էդուարդ Ռեյնի միջազգային գիտական ֆոնդը (Գերմանիա) ընդունեց Կոտելնիկովի առաջայնությունը՝ նրան պարգևատրելով հաղորդակցության բնագավառում առաջին անգամ մաթեմատիկորեն ճշգրիտ ձևակերպված ու ապացուցված հաշվարկների թեորեմի «հիմնարար հետազոտության համար» անվանակարգում[10]։ Պատմական հետազոտությունները, սակայն, ցույց են տալիս, որ հաշվարկների թեորեմը ավելի վաղ մաթեմատիկորեն դիտարկվել է բազմաթիվ գիտնականների կողմից՝ ինչպես որպես անընդհատ ազդանշանը դիսկրետներով վերականգնելու հնարավորության պնդում, այնպես էլ որպես վերականգնման եղանակ։ Մասնավորապես, առաջին մասը ձևակերպվել է դեռ 1897 թվականին Էմիլ Բորելը[11]։

Վարիացիաներ և ընդհանրացումներ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

Սահմանափակ սպեկտր ունեցող ազդանշանները մոտարկելու տարբեր եղանակներ են առաջարկվել վերջերս, որոնք ընդհանրացնում են հաշվարկների թեորեմը[12][13]. Այսպես, ֆունկցիաներով արմատական շարքի փոխարեն, որոնք ցածր հաճախությունների իդեալական զտիչի իմպուլսային բնութագրիչի շեղված կրկնօրինակներն են, կարելի է կիրառել ֆունկցիաների փաթաթումների վերջավոր կամ անվերջ շարքեր։ Օրինակ, ճիշտ է վերջավոր սպեկտր ունեցող անընդհատ ֆունկցիայի Կոտելնիկովի շարքի հետևյալ ընդհանրացումը ատոմար ֆունկցիաների Ֆուրիեի ձևափոխությունների հիման վրա[14].

որտեղ և պարամետրերը բավարարում են անհավասարությանը, իսկ դիսկրետացման ինտերվալը՝

։


Ծանոթագրություններ[խմբագրել | խմբագրել կոդը]

  1. Биккенин, Чесноков, 2010
  2. Котельников В. А. О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи — Всесоюзный энергетический комитет. // Материалы к I Всесоюзному съезду по вопросам технической реконструкции дела связи и развития слаботочной промышленности, 1933. Репринт статьи в журнале УФН, 176:7 (2006), 762—770.
  3. Джон К. Беллами. Цифровая телефония. — Радио и связь, 1986.
  4. Гитлиц М. В., Лев А. Ю. Теоретические основы многоканальной связи. — М.: Радио и связь, 1985.
  5. Зиатдинов С. И. / Восстановление сигналов по его выборкам на основе теоремы отсчетов Котельникова. — Приборостроение (№ 5, 2010). — УДК 621.396:681.323.
  6. K. Küpfmüller. Über die Dynamik der selbsttätigen Verstärkungsregler. Elektrische Nachrichtentechnik, vol. 5, no. 11, pp. 459—467, 1928. (German); K. Küpfmüller, On the dynamics of automatic gain controllers, Elektrische Nachrichtentechnik, vol. 5, no. 11, pp. 459—467. (English translation).
  7. Котельников В. А. О пропускной способности «эфира» и проволоки в электросвязи // Успехи физических наук : Журнал. — 2006. — № 7. — С. 762—770.
  8. Харкевич А. А. Спектры и анализ — 4-е изд. — Москва : URSS : ЛКИ, 2007. — С. 89.
  9. C. E. Shannon. Communication in the presence of noise. Proc. Institute of Radio Engineers. Vol. 37. No. 1. P. 10—21. Jan. 1949.
  10. К 100-летию со дня рождения академика Котельникова Владимира Александровича.
  11. Erik Meijering. A Chronology of Interpolation From Ancient Astronomy to Modern Signal and Image Processing, Proc. IEEE, 90, 2002. doi:10.1109/5.993400.
  12. Джерри А. Дж. Теорема отсчётов Шеннона, её различные обобщения и приложения. Обзор. — ТИИЭР, т. 65, № 11, 1977, с. 53—89.
  13. Хургин Я. И., Яковлев В. П. Прогресс в Советском Союзе в области теории финитных функций и её применений в физике и технике. — ТИИЭР, 1977, т. 65, № 7, с. 16—45.
  14. Басараб М. А., Зелкин Е. Г., Кравченко В. Ф., Яковлев В. П. Цифровая обработка сигналов на основе теоремы Уиттекера-Котельникова-Шеннона. — М.: Радиотехника, 2004.