Отто Юлиус Цобель | |
---|---|
Рожденный | ( 1887-10-20 )20 октября 1887 г. Рипон, Висконсин , США |
Умер | Январь 1970 г. (82 года) Морристаун, Нью-Джерси , США |
Альма-матер | Университет Висконсина |
Известный | Топология электронного фильтра Сеть Цобеля Решетчатый фазовый эквалайзер Фильтр, полученный из m-частицы Фильтры , полученные из двойной m-частицы Общий фильтр изображения типа mn Фильтр составного изображения Искусственная линия передачи Эквивалентные преобразования импеданса |
Научная карьера | |
Поля | Электротехника |
Учреждения | AT&T Co, Bell Labs |
Подпись | |
Примечания | |
Подпись Зобеля, сделанная его рукой, напоминающей рисунок, как она представлена на патентной заявке |
Отто Юлиус Цобель (20 октября 1887 г. – январь 1970 г.) был инженером-электриком, работавшим в American Telephone & Telegraph Company (AT&T) в начале 20-го века. Работа Цобеля по проектированию фильтров была революционной и привела, в сочетании с работой Джона Р. Карсона , к значительным коммерческим достижениям AT&T в области частотно-разделенных (FDM) телефонных передач. [1]
Хотя большая часть работы Зобеля была заменена более современными конструкциями фильтров, она остается основой теории фильтров, и его работы до сих пор цитируются. Зобель изобрел m-производный фильтр [2] и фильтр постоянного сопротивления [3] , которые используются и по сей день.
Зобель и Карсон помогли установить природу шума в электрических цепях, заключив, что — вопреки общепринятому мнению [4] — даже теоретически невозможно полностью отфильтровать шум и что шум всегда будет ограничивающим фактором в том, что можно передать. [5] Таким образом, они предвосхитили более позднюю работу Клода Шеннона , который показал, как теоретическая скорость передачи информации в канале связана с шумом канала.
Отто Юлиус Цобель родился 20 октября 1887 года в Рипоне, штат Висконсин . [6] [7] Он был сыном Оскара Эвальда «Германа» Цобеля, эмигрировавшего в США из родной Германии в 1860 году, и его жены Эрнестины, урожденной Каль. [8] [9] У Цобеля было семеро братьев и сестер. [9] После окончания средней школы Рипона [8] он сначала учился в колледже Рипона , где в 1909 году [6] получил степень бакалавра , защитив диссертацию [10] на тему «Теоретическое и экспериментальное рассмотрение электрических конденсаторов» . Позже он получил от Рипона премию «Выдающийся выпускник». [11] Затем он поступил в Висконсинский университет и получил степень магистра физики в 1910 году. Зобель оставался в Висконсинском университете в качестве преподавателя физики с 1910 по 1915 год и получил степень доктора философии в 1914 году; [6] его диссертация была посвящена «Теплопроводности и излучению». [12] Это последовало за его соавтором в 1913 году книги по геофизической термодинамике . [13] С 1915 по 1916 год он преподавал физику в Университете Миннесоты. [6] [2] [14] Переехав в Мейплвуд, штат Нью-Джерси , он присоединился к AT&T в 1916 году, где работал над методами передачи. В 1926 году, все еще работая в компании, он переехал в Нью-Йорк, а в 1934 году перешел в Bell Telephone Laboratories ( Bell Labs ), исследовательскую организацию, созданную совместно AT&T и Western Electric несколькими годами ранее. [15] Он ушел из Bell Telephone в 1952 году. [6]
Последний из плодовитого списка патентов Зобеля [16] [17] был получен в Bell Labs в 1950-х годах, к тому времени он проживал в Морристауне, штат Нью-Джерси . [18] Он был членом Американского физического общества и Акустического общества Америки . [8] Он умер в Морристауне от сердечного приступа в январе 1970 года. [6] [19] Он женился на Ирен Стааб 28 мая 1949 года; она была еще жива, когда он умер, но сын умер раньше него. [8]
Ранняя работа Зобеля по теплопроводности [13] не получила дальнейшего развития в его дальнейшей карьере. Однако есть некоторые интересные связи. Лорд Кельвин в своей ранней работе по линии передачи [20] вывел свойства электрической линии по аналогии с теплопроводностью. [21] Это основано на законе Фурье и уравнении проводимости Фурье . Ингерсолл и Зобель описывают работу Кельвина и Фурье в своей книге [22] , и подход Кельвина к представлению функций передачи , следовательно, был очень знаком Зобелю. Поэтому неудивительно, что в статье Зобеля по электрическому волновому фильтру [23] обнаружено очень похожее представление для функции передачи фильтров.
Решения уравнения Фурье могут быть получены с помощью рядов Фурье . [24] Ингерсолл и Зобель утверждают, что во многих случаях расчеты делают решение «почти невозможным» аналитическими средствами. С современной технологией такой расчет тривиально прост, но Ингерсолл и Зобель рекомендуют использовать гармонические анализаторы, которые являются механическим аналогом сегодняшних анализаторов спектра . Эти машины складывают механические колебания различных частот, фаз и амплитуд, объединяя их через набор шкивов или пружин: по одной на каждый осциллятор. Обратный процесс также возможен, приводя машину в движение функцией и измеряя компоненты Фурье в качестве выходных данных. [25]
После работы Джона Р. Карсона в 1915 году [26] стало ясно, что мультиплексированные телефонные передачи могут быть значительно улучшены за счет использования передачи с подавленной несущей на одной боковой полосе (SSB). По сравнению с базовой амплитудной модуляцией (AM) SSB имеет преимущество в виде половины полосы пропускания и доли мощности (одна боковая полоса может иметь не более 1/6 от общей мощности и, как правило, будет намного меньше). AM, проанализированная в частотной области, состоит из несущей и двух боковых полос . Несущая волна в AM представляет большую часть передаваемой мощности, но не содержит никакой информации. Обе боковые полосы содержат идентичную информацию, поэтому требуется только одна, по крайней мере, с точки зрения передачи информации. До этого момента фильтрация осуществлялась с помощью простых настроенных схем . Однако SSB требовала плоского отклика по интересующей боковой полосе и максимального подавления другой боковой полосы с очень резким переходом между ними. Поскольку идея заключалась в том, чтобы поместить другой (совершенно другой) сигнал в слот, освобожденный нежелательной боковой полосой, было важно, чтобы все его следы были удалены для предотвращения перекрестных помех . В то же время минимальные искажения (т.е. плоская характеристика) очевидно желательны для сохранения боковой полосы. Это требование привело к большим исследовательским усилиям в разработке электрических волновых фильтров. [27]
Электроволновые фильтры |
Термин «электрический волновой фильтр» широко использовался во времена Цобеля для обозначения фильтра, предназначенного для пропускания или подавления волн определенных частот в диапазоне. Он появляется в многочисленных работах, опубликованных в начале 20-го века. Иногда используется для того, чтобы отличить эти более продвинутые конструкции от простых настроенных схем, которые им предшествовали. В современном использовании используется более простой термин « фильтр» . Это обычно недвусмысленно в области электроники, но частотный фильтр может использоваться там, где это не так. |
Джордж А. Кэмпбелл и Зобель работали над этой проблемой извлечения одной боковой полосы из амплитудно-модулированной составной волны для использования в мультиплексировании телефонных каналов и связанной с этим проблемой извлечения (демультиплексирования) сигнала на дальнем конце передачи. [1] [2]
Первоначально используемый диапазон пропускания основной полосы составлял от 200 Гц до 2500 Гц, но позже Международный союз электросвязи установил стандарт от 300 Гц до 3,4 кГц с интервалом 4 кГц. Таким образом, фильтрация должна была перейти от полного пропускания к полной остановке в диапазоне 900 Гц. Этот стандарт в телефонии используется до сих пор и оставался широко распространенным, пока его не начали вытеснять цифровые технологии с 1980-х годов. [28]
Кэмпбелл ранее использовал условие, обнаруженное в работе Оливера Хевисайда для передачи без потерь, для улучшения частотной характеристики линий передачи с использованием сосредоточенных компонентных индукторов ( нагрузочных катушек ). Когда Кэмпбелл начал исследовать конструкцию фильтра электрических волн с 1910 года, эта предыдущая работа естественным образом привела его к фильтрам, использующим топологию лестничной сети с использованием конденсаторов и индукторов. Были разработаны фильтры нижних , верхних и полосовых частот . Более резкие срезы и более высокое подавление полосы задерживания для любой произвольной спецификации конструкции могли быть достигнуты просто путем увеличения длины лестницы. Конструкции фильтров, используемые Кэмпбеллом [29], были описаны Зобелем как фильтры с постоянным k, хотя сам Кэмпбелл не использовал этот термин. [30]
После того, как Зобель прибыл в инженерный отдел AT&T, он использовал свои математические навыки для дальнейшего улучшения конструкции электрических волновых фильтров. Карсон и Зобель разработали математический метод анализа поведения фильтров, теперь известный как метод изображения , при котором импеданс и параметры передачи каждой секции рассчитываются так, как будто она является частью бесконечной цепи идентичных секций. [31]
Zobel изобрел m-производную (или m-типа) секцию фильтра в 1920 году, отличительной чертой этой конструкции был полюс затухания , близкий к частоте среза фильтра . Результатом этой конструкции является отклик фильтра, который очень быстро падает после частоты среза. Быстрый переход между полосой пропускания и полосой задерживания был одним из основных требований для втиснуть как можно больше телефонных каналов в один кабель. [2] [32]
Одним из недостатков секции m-типа было то, что на частотах за полюсом затухания реакция фильтра начинала снова увеличиваться, достигая пика где-то в полосе задерживания, а затем снова падать. [33] Цобель преодолел эту проблему, спроектировав гибридные фильтры, используя смесь секций постоянного k и m-типа. Это дало Цобелю преимущества обоих: быстрый переход m-типа и хорошее подавление полосы задерживания постоянного k. [34]
К 1921 году Зобель еще больше усовершенствовал свои конструкции составных фильтров. Теперь он использовал, кроме того, полусекции m-типа на концах своих составных фильтров для улучшения согласования импеданса фильтра с источником и нагрузкой [2], метод, на который он имел патент. [35] Трудность, которую он пытался преодолеть, заключалась в том, что методы импеданса изображения , используемые для проектирования секций фильтра, давали математически предсказанный отклик только в том случае, если они были нагружены на соответствующие импедансы изображения. Технически это было легко сделать внутри фильтра, поскольку всегда можно было организовать так, чтобы соседние секции фильтра имели согласованные импедансы изображения (одной из характеристик секций m-типа является то, что одна или другая сторона секции m-типа будет иметь импеданс изображения, идентичный эквивалентной постоянной секции k). Однако нагрузочные импедансы — это другая история. Обычно они должны быть резистивными, но импеданс изображения будет сложным. Хуже того, даже математически невозможно построить импеданс изображения фильтра из дискретных компонентов. Результатом несоответствия импеданса являются отражения и ухудшение характеристик фильтра. Цобель обнаружил, что значение m = 0,6 [36] [37] для конечных полусекций, хотя и не является математически точным, дает хорошее соответствие резистивным окончаниям в полосе пропускания. [1] [38]
Около 1923 года конструкции фильтров Цобеля достигли пика своей сложности. Теперь у него была секция фильтра, к которой он дважды применил процесс m-деривации, в результате чего получились секции фильтра, которые он назвал mm'-типом. Это имело все преимущества предыдущего m-типа, но даже больше. Еще более быстрый переход в полосу задерживания и еще более постоянное характеристическое сопротивление в полосе пропускания. В то же время одна сторона соответствовала бы старому m-типу, так же как m-тип мог соответствовать k-типу . Поскольку теперь было два произвольных параметра (m и m'), которые мог настраивать разработчик фильтра, можно было спроектировать гораздо более согласованные полусекции. Составной фильтр, использующий эти секции, был бы лучшим, чего можно было достичь в то время. Однако секции mm'-типа так и не стали столь же распространенными и известными, как секции m-типа, возможно, потому, что их большая сложность отпугнула разработчиков. Их было бы неудобно реализовывать с помощью микроволновой технологии, а увеличенное количество компонентов, особенно намотанных компонентов, сделало их более дорогими для реализации с помощью традиционной технологии LC . Конечно, трудно найти учебник любого периода, который бы охватывал их конструкцию. [39]
Зобель направил большую часть своих усилий в 1920-х годах на построение сетей, которые могли бы имитировать линии передачи. Эти сети были получены из секций фильтров, которые сами были получены из теории линий передачи, а фильтры использовались на сигналах линий передачи. В свою очередь, эти искусственные линии использовались для разработки и тестирования лучших секций фильтров. [40] [41] [42] Зобель использовал метод проектирования, основанный на его теоретическом открытии, что импеданс, смотрящий в конец цепочки фильтров, был практически таким же (в пределах допусков компонентов), как и теоретический импеданс бесконечной цепи после того, как к цепи было добавлено лишь небольшое количество секций. Эти «образные» импедансы имеют математическую характеристику, которую невозможно построить просто из дискретных компонентов, и их можно только аппроксимировать. Зобель обнаружил, что использование этих импедансов, построенных из небольших цепочек фильтров в качестве компонентов в большей сети, позволило ему построить реалистичные имитаторы линий. Они ни в коем случае не предназначались для использования в качестве практических фильтров в полевых условиях, а скорее имели целью создание хороших управляемых линейных имитаторов, не испытывающих неудобств, связанных с необходимостью иметь дело с километрами кабеля. [43]
Цобель изобрел несколько фильтров, определяющей характеристикой которых было постоянное сопротивление в качестве входного импеданса. Сопротивление оставалось постоянным в полосе пропускания и полосе задерживания. С помощью этих конструкций Цобель полностью решил проблему согласования импеданса. Основное применение этих секций заключалось не столько в фильтрации нежелательных частот (фильтры типа k и типа m оставались лучшими для этого), сколько в выравнивании отклика в полосе пропускания до плоского отклика. [44]
Возможно, одно из самых интересных изобретений Зобеля — это секция решетчатого фильтра . Эта секция имеет как постоянное сопротивление, так и плоскую характеристику с нулевым затуханием по всему диапазону, однако она состоит из индукторов и конденсаторов. Единственный параметр сигнала, который она изменяет, — это фаза сигнала на разных частотах. [45]
Общей темой во всех работах Зобеля является вопрос согласования импеданса. Очевидный подход к проектированию фильтра — проектировать напрямую для желаемых характеристик затухания. С современной вычислительной мощностью подход грубой силы возможен и прост — то есть просто пошагово настраивать каждый компонент, пересчитывая его в итеративном процессе, пока не будет достигнут желаемый отклик. Однако Зобель разработал более косвенную линию атаки. Он очень рано понял, что несогласованные импедансы неизбежно означают отражения, а отражения означают потерю сигнала. Улучшение согласования импеданса, наоборот, автоматически улучшит отклик полосы пропускания фильтра. [39]
Этот подход к согласованию импедансов не только привел к созданию лучших фильтров, но и разработанные методы могли быть использованы для построения схем, единственной целью которых было согласование двух разнородных импедансов. [46] [47] Зобель продолжал изобретать схемы согласования импедансов на протяжении всей своей карьеры. Во время Второй мировой войны он перешел к волноводным фильтрам для использования в недавно разработанной технологии радаров . [48] Во время войны по понятным причинам было опубликовано немного, но ближе к концу в Bell Labs в 1950-х годах появляются конструкции Зобеля для секций, соответствующих физически разным размерам волноводов. [16] [17] Однако схема, отмеченная выше, которая до сих пор носит имя Зобеля, сеть постоянного сопротивления, может рассматриваться как схема согласования импедансов и остается лучшим достижением Зобеля в этом отношении. [3]
Имя Зобеля, пожалуй, наиболее известно в связи с цепями компенсации импеданса для громкоговорителей, и его разработки нашли применение в этой области. Однако ни один из патентов или статей Зобеля, по-видимому, не затрагивает эту тему. Неясно, разработал ли он что-либо специально для громкоговорителей. Ближе всего к этому мы подходим, когда он говорит о согласовании импеданса в преобразователе, но здесь он обсуждает схему для выравнивания подводного кабеля [3] или в другом случае, где он явно имеет в виду гибридный трансформатор , который завершает линию, идущую в телефонный аппарат, на фантомной схеме . [46]
В то время как Карсон лидировал в теории, Зобель занимался разработкой фильтров для снижения шума в системах передачи. [49]
В начале 1920-х и вплоть до 1930-х годов размышления о шуме доминировали в связи с беспокойством радиоинженеров о внешнем статичном шуме . В современной терминологии это включало бы случайный ( тепловой и дробовой ) шум, но эти концепции были относительно неизвестны и мало поняты в то время, несмотря на раннюю работу Шоттки в 1918 году о дробовом шуме. [50] Для радиоинженеров того времени статика означала внешне генерируемые помехи. Линия атаки против шума со стороны радиоинженеров включала разработку направленных антенн и переход на более высокие частоты, где проблема, как было известно, не была столь серьезной. [51]
Для телефонных инженеров то, что тогда называлось «флуктуирующим шумом», а сейчас бы описывалось как случайный шум, т. е. дробовой и тепловой шум, было гораздо более заметным, чем в ранних радиосистемах. Карсон расширил концепцию радиоинженеров об отношении сигнал/статика до более общего отношения сигнал/шум и ввел показатель качества для шума. [52] [53]
Озабоченность радиоинженеров статикой и методами, используемыми для ее уменьшения, привела к идее, что шум можно устранить, каким-то образом компенсируя его или отменяя. Кульминация этой точки зрения была выражена в статье Эдвина Армстронга 1928 года . [54] Это привело к известному ответу Карсона в последующей статье: «Шум, как и бедные, всегда будет с нами». [55] Армстронг был технически неправ в этом обмене мнениями, но в 1933 году, по иронии судьбы и парадоксу, изобрел широкополосную FM , которая значительно улучшила шумовые характеристики радио за счет увеличения полосы пропускания. [56]
Карсон и Зобель в 1923 году окончательно показали, что фильтрация не может удалить шум в той же степени, в какой, скажем, можно удалить помехи от другой станции. Для этого они проанализировали случайный шум в частотной области и постулировали, что он содержит все частоты в своем спектре. Это было первое использование анализа Фурье для описания случайного шума и, следовательно, его описание в терминах разброса частот. Также в этой статье впервые была опубликована концепция того, что мы сейчас называем ограниченным по полосе белым шумом . Для Зобеля это означало, что характеристики приемного фильтра полностью определяют показатель качества в присутствии белого шума и что конструкция фильтра является ключом к достижению оптимальной шумовой производительности. [5]
Хотя эта работа Карсона и Зобеля была очень ранней, не было общепринятым, что шум можно анализировать в частотной области таким образом. По этой причине вышеупомянутый обмен между Карсоном и Армстронгом все еще был возможен годы спустя. Точная математическая связь между мощностью шума и полосой пропускания для случайного шума была окончательно определена Гарри Найквистом в 1928 году, тем самым дав теоретический предел тому, чего можно было достичь с помощью фильтрации. [57]
Эта работа над шумом породила концепцию и побудила Зобеля заняться разработкой согласованных фильтров . В этом контексте «согласованный» означает, что фильтр выбирается для соответствия характеристикам сигнала, чтобы принять весь доступный сигнал, не допуская никакого шума, который можно было бы исключить. Основная идея заключается в том, что принятие как можно большего количества сигнала, не допуская никакого шума, который можно было бы исключить, максимизирует отношение сигнал/шум, что, в свою очередь, оптимизирует шумовые характеристики оборудования. Этот вывод стал кульминацией теоретических исследований по удалению шума путем применения линейных фильтров . Это стало важным при разработке радаров во время Второй мировой войны, в которой Зобель сыграл свою роль. [58]
Работа Зобеля недавно нашла применение в исследовании генетического программирования . Цель этого исследования — попытаться продемонстрировать, что результаты, полученные с помощью генетического программирования, сопоставимы с достижениями человека. Две меры, которые используются для определения того, является ли результат генетического программирования конкурентоспособным для человека, это: [59]
Одной из таких задач, поставленных в качестве задачи для генетической программы, было проектирование кроссоверного фильтра для громкоговорителей сабвуфера и твитера . Выходная конструкция была идентична по топологии конструкции, найденной в патенте Зобеля [60] для фильтра для разделения мультиплексированных низких и высоких частот на линии передачи. Это было признано сопоставимым с человеческим не только из-за патента, но и потому, что высокочастотные и низкочастотные секции были « разложены », как в конструкции Зобеля, но не требовалось специально этого в параметрах программы. [59] Другой вопрос , будет ли конструкция фильтра Зобеля хороша для hi-fi -системы. Конструкция на самом деле не пересекается, а скорее между двумя полосами пропускания есть зазор, где сигнал не передается ни на один из выходов. Это необходимо для мультиплексирования, но не так желательно для воспроизведения звука. [61]
Более поздний эксперимент по генетическому программированию [62] создал конструкцию фильтра, состоящую из цепочки постоянных k-секций, заканчивающихся полусекцией m-типа. Также было установлено, что это была конструкция, запатентованная Зобелем. [35]