Otto Julius Zobel

Otto Julius Zobel was een elektrisch ingenieur die voor de Amerikaanse Telefoon & amp gewerkt; Telegraph Company in het begin van de 20e eeuw. Werk Zobel op filter ontwerp was revolutionair en leidde, in combinatie met het werk van John R. Carson, tot aanzienlijke commerciële voorschotten voor AT & amp; T op het gebied van frequentie multiplex telefoon transmissies.

Hoewel veel van Zobel's werk is vervangen door modernere filter ontwerpen, het blijft de basis van de filter theorie en zijn papieren zijn nog steeds verwezen. Zobel uitvinder van de m-afgeleide filter en de constante weerstand filter, die tijdens gebruik blijft.

Zobel en Carson bijgedragen tot de aard van de ruis in elektrische circuits stellen, concluderen dat in tegenstelling tot reguliere overtuiging is zelfs theoretisch mogelijk om volledig filteren ruis en ruis altijd een beperkende factor in welke maximale output is zijn. Aldus verwacht men het latere werk van Claude Shannon, die liet zien hoe de theoretische informatiesnelheid van een kanaal is gerelateerd aan het geluid van het kanaal.

Leven

Otto Julius Zobel werd geboren op 20 oktober 1887 in Ripon, Wisconsin. Hij studeerde eerst aan Ripon College, waar hij zijn BA in 1909 met een proefschrift over theoretische en experimentele behandeling van elektrische condensatoren. Hij ontving later een Distinguished Alumnus Award van Ripon. Vervolgens ging hij naar de universiteit van Wisconsin en studeerde af met een MA in de natuurkunde in 1910. Zobel verbleef in de Universiteit van Wisconsin als natuurkunde docent 1910-1915, en studeerde af met zijn promotie in 1914; betrokken zijn proefschrift "thermische geleiding en straling". Deze volgde zijn 1913 co-authoring van een boek over het onderwerp van geofysische thermodynamica. Van 1915-1916 doceerde hij natuurkunde aan de Universiteit van Minnesota. Na verhuisd naar Maplewood, New Jersey, trad hij in dienst van AT & amp; T in 1916, waar hij werkte aan de transmissie technieken. In 1926, nog steeds met het bedrijf, verhuisde hij naar New York en in 1934 stapte hij over naar Bell Telephone Laboratories, de onderzoeksinstelling gezamenlijk door AT & amp gemaakt; T en Western Electric een paar jaar eerder.

De laatste van zijn productieve lijst van patenten opgetreden voor Bell Labs in de jaren 1950, tegen die tijd was hij woonachtig in Morristown, New Jersey. Hij stierf daar in januari 1970.

Thermische geleiding

Vroege werk Zobel op warmtegeleiding werd in zijn latere carrière niet nagestreefd. Er zijn echter een aantal interessante verbindingen. Lord Kelvin in zijn vroege werk over de transmissielijn afgeleid van de eigenschappen van de elektrische lijn naar analogie van warmtegeleiding. Dit is gebaseerd op Fourier wet en de Fourier geleiding vergelijking. Ingersoll en Zobel beschrijven het werk van Kelvin en Fourier in hun boek en Kelvin de aanpak om de vertegenwoordiging van overdracht functies zou daardoor zeer vertrouwd Zobel zijn geweest. Het is dan ook geen verrassing dat op papier Zobel op de elektrische golf filter een zeer vergelijkbare representatie wordt gevonden voor de overdracht functie van de filters.

Oplossingen voor de Fourier vergelijking kan worden door Fourier series. Ingersoll en Zobel staat dat in veel gevallen de berekening betrokken maakt de oplossing "vrijwel onmogelijk" door de analytische wijze. Met moderne technologie een dergelijke berekening is kinderlijk eenvoudig, maar Ingersoll en Zobel raden het gebruik van harmonische analyzers, die de mechanische tegenhanger van de huidige spectrumanalysetoestellen zijn. Deze machines elkaar optellen mechanische trillingen van verschillende frequenties, fasen en amplitudes door ze te combineren door middel van een reeks van katrollen of veren; één voor elke oscillator. Het omgekeerde proces is ook mogelijk, met de machine met de functie en het meten van de Fourier-componenten als output.

Achtergrond van AT & amp; T onderzoek

Na het werk van John R. Carson in 1915 werd duidelijk dat multiplex telefoon transmissies sterk kan worden verbeterd door het gebruik van enkel zijband onderdrukt vervoerder transmissie. Vergeleken met elementaire amplitudemodulatie SSB heeft het voordeel van de halve bandbreedte en een fractie van de stroom. AM geanalyseerd in het frequentiedomein uit een drager en twee zijbanden. De vervoerder frequentie AM vertegenwoordigt de meerderheid van de uitgezonden vermogen, maar bevat geen enkele informatie. De twee zijbanden zowel informatie identiek zodat slechts één nodig, tenminste een informatieverzending oogpunt. Tot zover filtering was door eenvoudige afgestemde kringen. Echter, SSB vereist een vlakke respons over de zijband van belang en maximale afwijzing van de andere zijband met een zeer scherpe overgang tussen de twee. Het idee was om een ​​signaal in de gleuf verlaten de ongewenste zijband het belangrijk dat alle sporen ervan werden verwijderd om overspraak te voorkomen zetten. Tegelijkertijd minimale vervorming is uiteraard wenselijk dat de zijband wordt vastgehouden. Deze eis heeft geleid tot een grote onderzoeksinspanning op het ontwerp van elektrische golf filters.

George A. Campbell en Zobel aan dit probleem gewerkt extraheren één zijband van een amplitude gemoduleerde samengestelde golf voor gebruik bij multiplexen telefoonkanalen en gerelateerd probleem van extraheren van het signaal aan het uiteinde van de transmissie.

Aanvankelijk baseband pas meetbereik was 200 Hz tot 2500 Hz, maar later stellen de International Telecommunication Union standaard van 300 Hz tot 3,4 kHz 4 kHz tussenruimte. Zo was de filtering vereist om van volledig doorgeven volledig stoppen in de ruimte van 900 Hz. Deze norm in telefonie is nog steeds in gebruik en had wijdverspreide bleef tot het begon te worden verdrongen door digitale technieken uit de jaren 1980 en later.

Campbell had eerder gebruik gemaakt van de toestand ontdekt in het werk van Oliver Heaviside voor lossless transmissie naar de frequentierespons van transmissielijnen gebruiken hoop gegooid component spoelen verbeteren. Toen Campbell begon het onderzoek naar elektrische golf filter ontwerp uit 1910, dit eerdere werk natuurlijk leidde hem naar filters met behulp van de ladder netwerktopologie met condensatoren en spoelen. Low-pass, high-pass en banddoorlaatfilters ontworpen. Scherpere cut-offs en een hogere stop-band afwijzing willekeurige ontwerp specificatie kon alleen worden bereikt door het verhogen van de lengte van de ladder. Het filter ontwerpen die worden gebruikt door Campbell werden beschreven door Zobel als k filters, hoewel dit niet een term die gebruikt wordt door Campbell zelf.

Innovaties

Na Zobel aangekomen bij het Engineering Department van AT & amp; T gebruikte hij zijn wiskundige vaardigheden verder te verbeteren van het ontwerp van elektrische golf filters. Carson en Zobel ontwikkelde de wiskundige werkwijze voor het analyseren van het gedrag van filters nu bekend als het beeld methode waarbij de impedantie en transmissieparameters van elke sectie worden berekend alsof deze deel uitmaakt van een oneindige reeks van identieke secties.

Wave filters

Zobel de uitvinder van de m-afgeleide filter sectie in 1920, het onderscheidende kenmerk van dit ontwerp wordt een pool van verzwakking in de buurt van de filter cut-off frequentie. Het resultaat van dit ontwerp is een filter reactie die zeer snel valt langs de cut-off frequentie. Om een ​​bekende uitdrukking schilderachtige ingenieur it "afgaat als de zijkant van een huis" te gebruiken. Een snelle overgang tussen de pass-band en stop-band was, natuurlijk, een van de belangrijkste eisen voor vetmesting zoveel telefoon kanalen mogelijk in één kabel.

Een nadeel van het gedeelte m-type was dat bij frequenties langs de paal demping, de respons van het filter begon weer te stijgen tot een piek ergens in de stopband en weer vallen. Zobel dit probleem overwonnen door het ontwerpen hybride filters met een mengsel van k en m-type secties. Dit gaf Zobel de voordelen van: de snelle overgang van de m-type en goede stopband afwijzing van de k.

Door 1921 Zobel verder had geperfectioneerd zijn samengestelde filter ontwerpen. Hij gebruikt nu bovendien m-type helften aan de uiteinden van zijn composietfilters de impedantie van het filter naar de bron en de belasting, een techniek waarbij hij een patent verbeteren. De moeilijkheid dat hij probeerde te overwinnen was dat het beeld impedantie technieken die worden gebruikt voor het filter secties ontwerpen alleen gaf het wiskundig voorspelde reactie als zij in hun respectieve afbeelding impedanties werden beëindigd. Technisch was dit gemakkelijk te doen binnen het filter als het kan altijd geregeld worden dat de aangrenzende filtersecties image impedantie had bijpassende. De terminating impedanties een ander verhaal. Deze zijn normaliter vereist resistief zijn, maar het beeld impedantie complex. Erger nog, het is zelfs niet mathematisch mogelijk om een ​​afbeelding filter impedantie construeren uit discrete componenten. Het resultaat van de impedantie mismatch is reflecties en een gedegradeerde filter prestaties. Zobel vond dat een waarde van m = 0,6 voor het einde helft secties, terwijl niet mathematisch exacte, gaf een goede match te opzeggingen resistieve in de pas-band.

Rond 1923 werden Zobel's filter ontwerpen van het bereiken van het hoogtepunt van hun complexiteit. Hij had nu een sectie filter waaraan hij had dubbel paste de m-afleiding proces resulteert in een filter secties die hij noemde de mm'-type. Dit had alle voordelen van de voorgaande m-type, maar meer. Een nog snellere overgang naar de stop-band en een nog meer constante karakteristieke impedantie in de pas-band. Tegelijkertijd zou een zijde passen in de oude m-type, zoals het m-type kan passen in de k-type. Omdat er nu twee willekeurige parameters die de filter ontwerper kon passen, kan veel beter einde bijpassende halve-secties worden ontworpen. Een samengestelde filter met deze secties zou de beste op dat ogenblik had kunnen worden bereikt zijn. Echter, de mm'-type secties werd nooit zo wijdverbreid en goed bekend als het m-type delen, mogelijk vanwege hun grotere complexiteit ontwerpers heeft afgeschrikt. Ze zouden zijn lastig te implementeren met magnetron technologie en de toenemende telling van componenten, met name wond onderdelen, maakte ze duurder uit te voeren met conventionele LCD-technologie. Zeker, het is moeilijk om een ​​schoolvoorbeeld van een periode waarin hun ontwerp omvat vinden.

Transmissielijn simulatie

Zobel gericht veel van zijn werk in de jaren 1920 tot de aanleg van netwerken die transmissielijnen kunnen simuleren. Deze netwerken werden afgeleid uit filter secties, die zich had afgeleid van transmissielijn theorie en de filters werden gebruikt op transmissielijn signalen. Op hun beurt werden deze kunstmatige lijnen gebruikt voor het ontwikkelen en testen van een betere filter secties. Zobel gebruikt een ontwerptechniek basis van zijn theoretische ontdekking dat de impedantie op zoek naar het uiteinde van een filter keten was vrijwel gelijk aan de theoretische impedantie van een oneindige ketting na slechts een klein aantal secties was toegevoegd aan de keten. Deze "image" impedantie hebben een wiskundige karakterisering onmogelijk te bouwen gewoon uit discrete componenten, en kan alleen maar worden benaderd. Zobel vond dat het gebruik van deze impedanties opgebouwd uit kleine filter ketens als componenten in een groter netwerk hem in staat stelde om realistische lijn simulatoren bouwen. Deze waren geenszins bedoeld als praktische filters in het veld, maar eerder de bedoeling was om goed controleerbaar lijn simulators te bouwen zonder het ongemak van mijl van de kabel te kampen met.

Equalisers

Zobel uitgevonden verschillende filters waarvan bepalende kenmerk was een constante weerstand als de input impedantie. De weerstand bleef constant door de pas band en de stop band. Met deze ontwerpen Zobel volledig was opgelost impedantie probleem. De belangrijkste toepassing van deze secties is niet zozeer voor het filteren van ongewenste frequenties geweest, de filters k-type en m-type bleef beste voor dit, maar om de reactie in de pas band om een ​​vlakke respons gelijk.

Misschien wel een van de meest fascinerende uitvindingen Zobel is de sectie rooster filter. Dit gedeelte is zowel constante weerstand en vlakke respons nul demping over de hele band, maar het is opgebouwd uit spoelen en condensatoren. Het enige signaalparameter wijzigt de fase van het signaal bij verschillende frequenties.

Impedantie

Een gemeenschappelijk thema in Zobel's werk is de kwestie van de impedantie matching. De voor de hand liggende aanpak filter ontwerp is om direct te ontwerpen voor de demping kenmerken gewenst. Met moderne rekenkracht, een brute force aanpak mogelijk is en eenvoudig, gewoon stapsgewijs aanpassen van elke component, terwijl het herberekenen in een iteratief proces tot de gewenste respons is bereikt. Echter, Zobel ontwikkelde een meer indirecte lijn van de aanval. Hij realiseerde zich al heel vroeg dat mismatch impedantie onvermijdelijk betekende reflecties en reflecties betekende een verlies van signaal. Het verbeteren van de impedantie match, omgekeerd, zou automatisch verbeteren van de pass-band respons van een filter.

Deze impedantie benadering niet alleen tot betere filters maar de technieken die kunnen worden gebruikt om schakelingen waarvan het enige doel is om samen te passen twee ongelijksoortige impedanties construeren. Zobel bleef impedantie matching netwerken uitvinden gedurende zijn hele carrière. Tijdens de Tweede Wereldoorlog verhuisde hij naar filters golfgeleider voor gebruik in de nieuw ontwikkelde radartechnologie. Weinig tijdens de oorlog voor de hand liggende redenen werd gepubliceerd, maar naar het einde toe met Bell Labs in de jaren 1950, Zobel ontwerpt voor de secties aan te passen fysiek verschillende golfgeleider maten verschijnen. De schakeling opgemerkt waarboven draagt ​​nog Naam Zobel van vandaag de constante weerstandsnetwerk, kan worden gezien als een impedantieaanpassingsschakeling en blijft beste prestatie Zobel ter zake.

Luidspreker egalisatie

De naam van Zobel is misschien het meest bekend met betrekking tot de compensatie netwerken impedantie van luidsprekers. Duidelijk, zijn ontwerpen hebben toepassingen op dit gebied. Echter, geen van Zobel's patenten of artikelen verschijnen om dit onderwerp te bespreken. Het is onduidelijk of hij eigenlijk ontworpen iets speciaal voor luidsprekers. Het dichtst we naar dit is waar hij spreekt van impedantie in een transducer, maar hier is hij de bespreking van een circuit om een ​​onderzeese kabel gelijk, of in een ander geval waar duidelijk dat hij in gedachten heeft de hybride transformator die eindigt een lijn in te gaan op een telefoon instrument op een fantoom circuit.

Lawaai

Hoewel Carson ging voorop theorie, werd Zobel betrokken bij het ontwerpen van filters ten behoeve van ruisonderdrukking transmissiesystemen.

Achtergrond

Aan het begin van de jaren 1920 en tot en met de jaren 1930, het denken over geluidsoverlast werd gedomineerd door de bezorgdheid van de radio-ingenieurs met externe statische. In de moderne terminologie zou dit ruis omvatten, maar die begrippen waren relatief onbekende en weinig begrepen op het moment, ondanks een vroege papier door Schottky in 1918 op schoot lawaai. Om de radio-ingenieurs van de tijd, statische bedoeld extern gegenereerde interferentie. De lijn van de aanval tegen het geluid van de radio bedenkers ontwikkelen directionele antennes en verhuizen naar hogere frequenties waar het probleem bekend was zo ernstig te zijn.

Voor telefonische ingenieurs, de toenmalige "fluctuerende ruis", en nu zou worden omschreven als willekeurige ruis, dwz schot en thermische ruis, was veel meer opvallen dan bij het begin van radio-systemen. Carson uitgebreid begrip signaal- statische verhouding radio ingenieurs een algemenere signaal-ruisverhouding en introduceerde een cijfer van verdienste voor geluid.

Onmogelijkheid ruisonderdrukking

Preoccupatie de radio ingenieurs met statische en de technieken die worden gebruikt voor het verminderen van het leidde tot het idee dat het geluid volledig kan worden geëlimineerd door, op een bepaalde manier te compenseren voor het of te annuleren uit. Het hoogtepunt van dit standpunt werd uitgedrukt in een 1928 artikel van Edwin Armstrong. Dit leidde tot een beroemde retort door Carson in een volgende papier, "Lawaai, zoals de armen, zal altijd bij ons". Armstrong was technisch in de verkeerde in deze uitwisseling, maar in 1933, ironisch en paradoxaal genoeg, ging over tot brede band FM, die enorm verbeterd de prestatie geluid van de radio door het vergroten van de bandbreedte uit te vinden.

Carson en Zobel in 1923 was overtuigend aangetoond dat filtering niet ruis te verwijderen in dezelfde mate als bijvoorbeeld storing van een ander station kunnen worden verwijderd. Hiervoor hadden zij ruis in het frequentiedomein geanalyseerd en gepostuleerd dat het alle frequenties in het spectrum. Dit was het eerste gebruik van Fourier analyse om ruis te beschrijven en dus beschreven in termen van een spreiding van frequenties. Ook voor het eerst gepubliceerd in dit document was het concept van wat we nu bandbegrensd witte ruis zou noemen. Voor Zobel betekende dit dat de kenmerken van het ontvangende filter volledig bepalen de kwaliteitsfactor in aanwezigheid van witte ruis en het filterontwerp was sleutel tot een optimale prestatie geluid.

Hoewel dit werk van Carson en Zobel was heel vroeg, was het niet algemeen aanvaard dat lawaai in het frequentiedomein op deze manier zou kunnen worden geanalyseerd. Daarom voornoemde uitwisseling tussen Carson en Armstrong was nog mogelijk jaar later. De precieze mathematische relatie tussen lawaai en bandbreedte voor de ruis werd uiteindelijk bepaald door Harry Nyquist in 1928 waardoor een theoretische grens aan wat kan worden bereikt door filtering.

Dit werk op geproduceerde geluid van het concept, en leidde Zobel op het ontwerp, van de aangepaste filters te streven. Dit is het concept dat de geluidsemissie van de apparatuur optimaal wanneer de filter perfect is aangepast aan het signaal men probeert te zenden en is het resultaat van theoretisch onderzoek naar de toepassing van het verwijderen van ruis door middel van lineaire filters. Dit werd belangrijk in de ontwikkeling van radar tijdens de Tweede Wereldoorlog, waarin Zobel een rol speelde.

Het gebruik van het werk in genetische programmering onderzoek

Zobel's werk is recent gevonden een toepassing in onderzoek naar genetische programmering. Het doel van dit onderzoek is om te proberen aan te tonen dat de resultaten van genetische programmering resultaten zijn vergelijkbaar met de menselijke prestaties. Twee van de maatregelen die worden gebruikt om te bepalen of een genetische programmering resultaat humaan-competitief zijn:

  • Het resultaat is een gepatenteerde uitvinding.
  • Het resultaat is gelijk aan of beter dan een resultaat dat werd beschouwd als een prestatie op het gebied ten tijde van de ontdekking.

Een dergelijk probleem te stellen als een taak voor een genetisch programma was om een ​​crossover filter voor de woofer en tweeter luidsprekers te ontwerpen. De output ontwerp was identiek in de topologie van een ontwerp in een patent van Zobel voor een filter om aparte multiplex lage en hoge frequenties op een transmissielijn. Dit werd geacht mens vergelijkbaar zijn, niet alleen vanwege het octrooi, maar ook omdat de hoogdoorlaat en laagdoorlaat secties werden "afgebroken" zoals in Zobel ontwerp, maar niet specifiek vereist is in de programma parameters. Al dan niet Zobel's filter ontwerp zou goed voor een hifi-systeem is een andere vraag. Het ontwerp niet daadwerkelijk kruisen, maar is er een spleet tussen de twee pas-banden waarbij het signaal ofwel uitgang overgedragen. Essentieel voor multiplexing, maar niet zo wenselijk voor geluidsweergave.

Een latere genetische programmering experiment produceerde een filter ontwerp dat bestond uit een keten van k secties beëindigd in een m-type halve sectie. Dit werd ook bepaald een ontwerp gepatenteerd door Zobel te zijn geweest.

(0)
(0)
Commentaren - 0
Geen commentaar

Voeg een reactie

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tekens over: 3000
captcha