Harry Nyquist nie tylko pomógł w budowaniu ery cyfrowej. Ustalił jego podstawowe zasady.
Urodzony w Szwecji w 1889 r. i zmarł w Teksasie w 1976 r., ten amerykański fizyk i inżynier elektryk spędził większość swojej kariery w Bell Labs. Jego praca nie miała wyłącznie charakteru teoretycznego. Były praktyczne. Rozwiązali rzeczywiste problemy, które nękały wczesne systemy telekomunikacyjne. Niezależnie od tego, czy wysyłasz wiadomość, przesyłasz strumieniowo wideo, czy wykonujesz telefon, polegasz na zasadach Nyquist.
W 1907 roku przeniósł się do Stanów Zjednoczonych. Studiował na Uniwersytecie Północnej Dakoty i Uniwersytecie Yale. W 1917 roku pracował już dla AT&T. Pozostał tam do 1954 r. Następnie nadal doradzał w sprawach łączności wojskowej. Ten człowiek nigdy nie przestał pracować.
Wyjaśnienie twierdzenia o próbkowaniu
Najsłynniejsze osiągnięcie Nyquista pochodzi z lat dwudziestych XX wieku. Telegraf miał trudności. Wiadomości były przesyłane powoli. Szerokość pasma sygnału była ograniczona. Nyquist zadał proste pytanie. Jak szybko możesz przesyłać dane?
Jego odpowiedź stała się znana jako twierdzenie Nyquista o próbkowaniu.
Zasada jest rygorystyczna. Aby przetworzyć sygnał o fali ciągłej na dane cyfrowe bez utraty informacji, należy go próbkować (pobierać próbki) co najmniej dwukrotnie szybciej niż jego maksymalna częstotliwość. Zrób to, a będziesz mógł doskonale przywrócić oryginalny sygnał. Jeśli przegapisz ten próg, Twój dźwięk będzie trzaskał. Twój obraz będzie niewyraźny. Twoje dane zostaną uszkodzone.
To nie była tylko matematyka. To był plan całej komunikacji cyfrowej. Claude Shannon odniósł się do Nyquista i R.W.L. Hartley w swoim eseju na temat teorii informacji z 1948 roku. Stały się podstawą.
Hałas, sprzężenie zwrotne i stabilność
Nyquist nie poprzestał na szybkości transmisji danych. Zwrócił się do niewidzialnych wrogów komunikacji. Hałas.
W 1927 roku wyjaśnił szum termiczny. J.B. Johnson zaobserwował to eksperymentalnie. Nyquist przedstawił opis matematyczny. Zjawisko to nadal nazywane jest szumem Johnsona-Nyquista. Ma to znaczenie, ponieważ każde urządzenie elektroniczne generuje ciepło. Ciepło to powoduje przypadkowe wahania elektryczne. Znajomość poziomów hałasu pomaga inżynierom projektować lepsze radia i komputery.
Potem była informacja zwrotna. Wzmacniacze mogą wchodzić w samooscylacje. Mogą stać się niestabilne. W 1932 roku Nyquist znalazł sposób przewidywania stabilności za pomocą metody graficznej. Kryterium stabilności Nyquista.
W czasie II wojny światowej nie była to abstrakcja. To kontrolowało artylerię. Systemy elektromechaniczne musiały być stabilne. Musieli trafić w swoje cele. Matematyka Nyquista zapobiegła zniszczeniu ich przez własne wibracje.
Dziedzictwo patentów
Teoria to jedno. Wynalazek jest dla innych.
Nyquist posiadał 138 patentów. Do urządzeń telekomunikacyjnych. W systemach przesyłowych. Rozumiał zarówno matematykę, jak i sprzęt.
Żyjemy w świecie dyskretnych sygnałów i filtrowanego szumu. Teraz wydaje się to naturalne. Ale nie zawsze tak było. Nyquist zidentyfikował ograniczenia. Ustalił granice. A potem popchnął nas aż do tych granic.
Twierdzenie o próbkowaniu nadal ma zastosowanie. Każdy zapisany plik cyfrowy podlega zasadzie „dwukrotnie większej częstotliwości”. Poziom hałasu pozostaje bitwą, z którą inżynierowie toczą każdego dnia.
Zmarł w 1976 r. Ale sygnały wciąż napływają.
