Давид Миддлтон — один из основоположников статистической теории связи

М.А. Быховский

Во всем мире специалистам в области теории связи имя Давида Миддлтона известно так же хорошо, как физикам – имена крупнейших ученых XX века Альберта Эйнштейна, Нильса Бора или Льва Ландау.

Немецкий философ Эрих Фромм писал: “...самое прекрасное в жизни состоит в том, чтобы реализовать себя не ради какой-нибудь цели, а ради деятельности как таковой, ради творческого акта”. Выдающийся американский ученый Давид Миддлтон относится к тем счастливым людям, которым удалось построить свою жизнь так, что каждый прожитый ими день был наполнен творчеством и созиданием.

Этот человек принадлежит к гигантским фигурам XX века. Он уникален благодаря своим многочисленным первоклассным научным результатам в разных разделах теории связи, а также благодаря огромной продолжительности активной творческой деятельности в области статистической теории связи и статистической радиофизики, которая охватила целую эпоху. Первые основополагающие научные работы Д. Миддлтона были выполнены в середине 40-х годов, а последняя трехтомная монография издана в конце 90-х годов XX столетия.

Проблемы, над которыми он всю жизнь работал, возникли во время Второй мировой войны. Они были связаны с необходимостью повышения чувствительности приемников, радиолокационных станций, ставших во время войны важнейшим элементом боевой техники, предназначенной для обнаружения и уничтожения самолетов и кораблей противника. Приёмники сигналов содержат ряд фильтров и нелинейных элементов (смесителей, детекторов, ограничителей и т.п.) и должны обеспечить надежный приём слабых сигналов в присутствии действующих на их входе шумов. Процессы обработки принимаемых на фоне случайных шумов сигналов весьма сложны, и к решению этих проблем были привлечены многие крупнейшие учёные. В США исследованиями в этой области занялись такие крупные ученые, как Норберт Винер (создатель кибернетики – нового направления в науке) и Стефан Райе, который одним из первых получил основополагающие результаты в данном направлении, опубликованные в 1944 и 1945 гг. в двух его знаменитых статьях в журнале "Bell System Journal". В нашей стране многие важные результаты в этой области были получены профессором В.И. Бунимовичем, работавшем в Институте радиотехники и электроники АН, профессором Московского государственного университета Р.Л. Стратоновичем и профессором Военно-воздушной академии им. Н.Е. Жуковского В.И. Тихоновым.

Другим важным направлением научной деятельности Д. Миддлтона является разработка проблем, связанных с созданием методов синтеза оптимальных приемников сигналов в присутствии радиопомех и оценки их помехоустойчивости. Теоретические основы данного направления в науке были заложены академиком В.А. Котельниковым в 1947 г. Д. Миддлтон независимо от В.А. Котельникова разработал в 1954 г. теорию оптимального приёма сигналов на основе математической теории статистических решений. Им были получены многие фундаментальные результаты этой теории.

Краткая биография

Давид Миддлтон родился 19 апреля 1920 г. в Нью-Йорке. Его мать, получившая хорошее музыкальное образование в Берлине, играла на скрипке, фортепьяно и пела. Отец работал редактором газеты “ Нью-Йоркер ” . В семье никто не занимался наукой.

Годы юности будущего ученого пришлись на период большой депрессии в экономике США. Для того, чтобы Д. Миддлтон смог учиться в школе, а затем в Гарвардском университете, семье пришлось продать скрипку работы знаменитого итальянского мастера Гварнери. В 1942 г. Д. Миддлтон закончил университет и получил степень бакалавра.

В начале Второй мировой войны в Гарвардском университете была организована Исследовательская радиолаборатория (ИРЛ), которую возглавил профессор Термен. Эта лаборатория занималась созданием радиолокационной техники. В её составе была группа, разрабатывающая активные и пассивные системы радиопротиводействия для радиолокации, руководителем которой стал выдающийся американский физик Дж. Г. Ван Флек (в 1977 г., когда ему было 88 лет, он получил Нобелевскую премию за исследования в области магнетизма). В этой группе и начал свою научную карьеру Д. Миддлтон.

Подобно тому, как электронное телевидение послужило технической основой создания радиолокации, так и разработка проблем выделения полезных сигналов на фоне шумов, над которыми стал работать Д. Миддлтон, явилась предпосылкой наступления информационной эры. В этой области он выполнил пионерские исследования, создав статистические методы анализа систем приема сигналов в присутствии шумов. После окончания войны Д. Миддлтон продолжил свое образование в Гарвардском университете. В 1945 г. он получил магистерскую степень, а в 1947 г., продолжая работать в ИРЛ под руководством Дж. Г. Ван Флека, стал доктором наук в области физики.

Защитив докторскую диссертацию, Д. Миддлтон в течение года стажировался в Гарварде у знаменитого французского физика Леона Бриллюена, который серьезноинтересовался проблемами теории связи и в 50-х годах написал одну из первых в мире книг по теории информации.

В лаборатории Гарвардского университета Д. Миддлтон работал до 1954 г., совмещая исследовательскую работу с преподаванием прикладной физики. С 1942 по 1954 гг. он вёл интенсивные исследования: анализировал работу разных систем с амплитудной ( AM ) и частотной модуляцией (ЧМ) при действии случайного шума, разрабатывал методы проектирования и оптимизации систем приема сигналов. Позже ученый получил важнейшие научные результаты теории связи, разрабатывая теорию оптимального приёма сигналов в разных каналах связи, в которых действует не только гауссовский шум, но и другие виды помех с произвольными статистическими характеристиками.

Подобно Эдисону, организовавшему первую в мире исследовательскую лабораторию, продукцией которой были изобретения в разных областях техники, Д. Миддлтон был первым, кто создал в 1954 г. консалтинговую фирму – зависимый научно-исследовательский институт. В этом институте он был директором, менеджером и главным научным сотрудником и выполнял проекты по заказам университетов, промышленных лабораторий, а также министерств энергетики, обороны и военно-морского флота. Институт в течение более полувека производил первоклассную научную продукцию, которая высоко ценилась в мире.

Выполняя пионерские исследования во многих направлениях теории связи, о которых будет сказано в следующем разделе данного очерка, Д. Миддлтон не оставлял и преподавательскую деятельность. Он преподавал прикладную физику, математику и электротехнику в Колумбийском, Денверском, Техасском и во многих других университетах США. Кроме того, в крупных американских академических институтах ученый руководил подготовкой аспирантов к получению докторской степени.

Результаты Д. Миддлтона широко публиковались в ведущих научных журналах и освещались на международных конференциях. Им опубликовано более 170 научных статей и несколько фундаментальных монографий.

Д. Миддлтон поддерживал тесные научные контакты с советскими учеными. В период 1973-1984 гг. он четырежды посещал СССР по приглашению Института акустики АН. В 1978 г. под его редакцией в издательстве “Наука” вышла книга отечественного ученого В.В. Ольшевского “Статистические методы в гидролокации”.

Д. Миддлтон является членом Физического, Математического и Акустического научных обществ США, Американской ассоциации содействия прогрессу наук, почетным членом Международного института инженеров электротехники и электроники ( IEEE ). Он состоит также членом Общества прикладной математики, Космического клуба, Нью-Йоркской академии наук и др. Его научные заслуги отмечены наградами Американского института электросвязи ( NTIA ), Секции электромагнитной совместимости Международного института инженеров электротехники и электроники ( IEEE ) и др.

У Д. Миддлтона семеро детей. В первом браке у него родились две дочери и два сына, три сына появились во втором браке.

Научные работы

Давид Миддлтон является одним из крупнейших современных ученых, чьи исследования внесли огромный вклад в развитие современной статистической теории связи. Ему принадлежат основополагающие результаты, связанные с оценкой влияния шумов на прием сигналов с разными видами модуляции. В развитии этой научной области роль Д. Миддлтона весьма значительна.

В 1943 г., во время Второй мировой войны, он приступил к разработке методов анализа закономерностей прохождения сигналов и шумов через нелинейные устройства. Такие методы были необходимы для оценки последствий воздействия искусственных помех, создаваемых противником, на радиолокационные станции. Эти методы сейчас вошли в учебники по теории связи и составляют необходимый элемент образования современного инженера. Им были получены результаты, позволяющие определять подавление модулированных по амплитуде и частоте слабых сигналов при их детектировании в присутствии шумов. В частности, он, по-видимому, впервые исследовал пороговый эффект при приеме ЧМ-сигналов строгими математическими методами.

Вместе со своим учителем Дж.Г. Ван Флеком Д. Миддлтон в 1944 г. независимо от известного американского ученого Д.О. Норта разработал важнейшую в теории связи концепцию согласованных фильтров, очищающих принимаемые сигналы от действующих в канале связи шумов и помех. Согласованные фильтры играют исключительно важную роль при проектировании систем связи, радиолокации и различных других систем, в которых осуществляется обработка сигналов в присутствии шумов. В радиолокации такие фильтры являлись эффективным средством защиты от приема сигналов искусственных помех, создаваемых противником.

В 1954 г. он (вместе со своим коллегой Д. Ван-Митером) сформулировал статистическую теорию оптимального приема сигналов, основанную на строгом байесовском подходе, разработанном в математической статистике. Следует отметить, что идеи синтеза устройств оптимального приема сигналов в присутствии шумов были впервые выдвинуты в докторской диссертации академика В.А. Котельникова в 1947 г. Д. Миддлтон многое сделал для развития этой теории. В 1965 г. он разработал каноническую теорию порогового обнаружения и оценки параметров сигналов при воздействии шумов с произвольными статистическими характеристиками. Несколько позже (в 1968 г. и 1970 г.) совместно со своим учеником Р. Эспозито он разработал байесовскую теорию совместного обнаружения и оценки параметров сигналов в условиях априорной неопределенности.

С 1970 г. Д. Миддлтон начинает активно разрабатывать новое научное направление – статистическую модель негауссовских шумов и помех. Разработанная им модель позволяла при соответствующем выборе ее параметров достаточно точно описать статистические характеристики воздействующих на приемные устройства шумов и индустриальных помех в диапазоне частот ниже 1 ГГц, в котором шумы имеют как гауссовскую, так и импульсную составляющие.

Весьма важным событием в мировой науке стала изданная в 1960-1961 гг. двухтомная монография Д. Миддлтона “Введение в статистическую теорию связи”, к написанию которой он приступил еще в 1949 г. и работал над ней с перерывами вплоть до 1958 г. В нее вошли материалы ряда курсов, которые он читал на факультете прикладных наук в Гарвардском университете, а также результаты его исследований, проводившихся в Гарварде и Массачусетском технологическом институте по договорам с Министерством обороны. Эта монография получила широкую известность и была переведена во

многих странах, став настольной книгой специалистов, работающих в области статистической радиотехники и смежных областях. Следует отметить, что это не первая книга в данной области. В 1951 г. в СССР вышла весьма содержательная книга В.И. Бунимовича “Флуктуационные процессы в радиоприемных устройствах”, а в 1957 г. – книги B . C . Пугачева “Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления” и Б.Р. Левина “Теория случайных функций и её применение в радиотехнике”. В 1958 г. в США была издана книга В.Б. Давенпорта и В.Л. Рута “Введение в теорию случайных сигналов и шумов”, позже вышедшая в СССР на русском языке. Однако монография Д. Миддлтона отличалась от ранее изданных трудов своей энциклопедичностью.

Как указывал автор, он адресовал ее инженерам, физикам и специалистам по прикладной математике. Создавая свой труд, он преследовал три цели: 1) сформулировать систематический метод проектирования оптимальных систем связи, включая оценку их качества и сравнение с неоптимальными системами того же назначения, 2) охватить в рамках единого теоретического подхода главные результаты ранее опубликованных работ, 3) создать учебное пособие для различных ступеней обучения, которое могло бы служить в качестве инструмента для исследователей современных проблем и быть отправной точкой для новых разработок.

Монография сыграла большую роль во внедрении статистических методов в методику образования инженеров в области связи, радиолокации и других смежных областей. Эта книга в 1962 и 1963 гг. была издана на русском языке под редакцией крупного отечественного ученого проф. Б.Р. Левина.

В 1965 г. издается небольшая по объёму, но весьма интересная книга Д. Миддлтона “Очерки теории связи”, которая в 1966 г. была выпущена в СССР также под редакцией Б.Р. Левина. Книга содержит краткое изложение основных идей в области теории связи, появившихся к этому времени.

Этим трудам была суждена долгая жизнь. Двухтомная монография “Введение в статистическую теорию связи” переиздавалась в США в 1972, 1987 и 1996 гг., а книга “Очерки теории связи” переиздавалась в 1977 и 1987 гг.

В 1997 г. вышла в свет трехтомная монография Д. Миддлтона “Обработка пороговых сигналов”. Эта книга содержала новые результаты в области оптимального приема сигналов, полученные им после 1965 г.

Научные интересы Д. Миддлтона необычайно широки и не ограничены областью статистической теории связи. Он выполнил ряд фундаментальных работ в области распространения волн в средах со случайными неоднородностями и их рассеяния на шероховатых поверхностях. Им была разработана статистическая теория реверберации волн (1965-1987 гг.), дающая теоретическую основу для синтеза и анализа оптимальных систем приёма радио- и гидролокационных сигналов в каналах с сильными эхосигналами, образованными за счёт их рассеяния на неоднородностях среды распространения. В 1988 г. он публикует оригинальные результаты исследований по обнаружению векторных полей. Ему принадлежат также результаты, связанные с многомерным обобщением теоремы отсчётов Уитеккера – Котельникова – Шеннона (1962-1965 гг.). Д. Миддлтон выполнил важное исследование искажений сигналов из-за эффектов амплитуднофазовой конверсии. Этот эффект часто возникает в бортовых ретрансляторах сигналов в спутниковой связи (1986 г.).

Творческий инстинкт Д. Миддлтона не ослабевает с годами, и он продолжает активно работать и регулярно публиковать свои научные исследования, касающиеся проблем теории связи и статистической физики. В 1999 г. выходит его обширная статья “Модели негауссовского шума и обработка сигналов в телекоммуникациях – новые методы и результаты для моделей классов А и В” ( IE ЕЕ Trans . On Information Theory , 4, p . 1129-1140). Эта работа является развитием его результатов по моделям негауссовских шумов, полученных в 1970 г. Для двух классов моделей Д. Миддлтоном были предложены методы нахождения распределения вероятностей уровня воздействующих на приемник негауссовских шумов.

В 2002 г. в “Трудах института физики” ( Institute of Physics Publishing , Waves in Random Media , 12, p . 99-144) публикуется его работа “Новые результаты прикладной теории рассеяния волн: новый физико-статистический метод исследования процессов рассеяния, включая многократное рассеяние, и метод определения точного распределения вероятностей уровня рассеянного поля и его сравнение с приближенными методами Борна и Рытова”. В этой фундаментальной работе дано обобщение методов, созданных Д. Миддлтоном для определения стати­стических характеристик негауссовских шумов, воздействующих на прием сигналов, на задачи теории рассеивания радиоволн, сделан новый существенный шаг в решении весьма сложных проблем, над которыми уже много десятилетий работают крупнейшие ученые.

Польский поэт Хаим Плуцик в одном из стихотворений отметил, что каждый человек, планируя свой жизненный путь, должен сделать выбор:

Итак, альтернатива больше не
Меж жизнью – Бытием и Становлением –
Суть смертью, но, скорей, меж высшей жизнью,
Меж сферой духа, там, где человек
Одно с Идеей, то есть вечен, – и
Меж сферой мелких обстоятельств.

Д. Миддлтон выбрал для себя высшую жизнь – жизнь в сфере духа. За более чем 60 лет активной творческой деятельности он создал методологию анализа различных систем обработки сигналов в присутствии шумов. Эти методы нашли широкое применение при решении весьма разнообразных практических задач.

Он входит в элиту ученых XX века, заложивших фундамент теории связи и установивших основные закономерности оптимальной обработки сигналов, передача которых по каналам связи сопровождается значительными искажениями, а прием осуществляется в условиях интенсивных шумов и помех.

Обычно после 50 лет творческие возможности ученых заметно снижаются. Д. Миддлтон является очень редким исключением из этого правила. В чем же секрет его творческого долголетия? Думается, это связано с тем, что им двигает, в первую очередь, инстинкт созидания, огромный интерес и любовь к работе, а также ясное понимание, что для человечества очень важен прогресс в области, которой он занимается.

Статья опубликована в журнале "Электросвязь: история и современность" №3 2005 г., стр. 27—29
Статья помещена в музей 14.04.2006 г.