Otto Julius Zobel - Otto Julius Zobel

Otto Julius Zobel
Nascer	( 1887-10-20 )20 de outubro de 1887 Ripon, Wisconsin
Faleceu	Janeiro de 1970 (com 82 anos) Morristown, Nova Jersey
Nacionalidade	americano
Alma mater	Universidade de Wisconsin
Conhecido por	Topologia de filtro eletrônico Rede Zobel Equalizador de fase da rede Filtro derivado de m Filtros derivados de m duplo Filtro de imagem geral do tipo mn Filtro de imagem composto Linha de transmissão artificial Transformações de impedância equivalente
Carreira científica
Campos	Engenharia elétrica
Instituições	AT&T Co, Bell Labs
Assinatura
Notas
A assinatura de Zobel em sua caligrafia de desenhista, conforme aparece em um pedido de patente

Otto Julius Zobel (20 de outubro de 1887 - janeiro de 1970) foi um engenheiro elétrico que trabalhou para a American Telephone & Telegraph Company (AT&T) no início do século XX. O trabalho de Zobel no projeto de filtros foi revolucionário e levou, em conjunto com o trabalho de John R. Carson , a avanços comerciais significativos para a AT&T no campo das transmissões telefônicas multiplex por divisão de frequência (FDM).

Embora muito do trabalho de Zobel tenha sido substituído por designs de filtros mais modernos, ele permanece a base da teoria dos filtros e seus artigos ainda são referenciados hoje. Zobel inventou o filtro derivado de m e o filtro de resistência constante , que permanece em uso.

Zobel e Carson ajudaram a estabelecer a natureza do ruído em circuitos elétricos, concluindo que - ao contrário da crença dominante - nem mesmo é teoricamente possível filtrar o ruído inteiramente e que o ruído sempre será um fator limitante no que é possível transmitir. Assim, eles anteciparam o trabalho posterior de Claude Shannon , que mostrou como a taxa de informação teórica de um canal está relacionada ao ruído do canal.

Vida

Otto Julius Zobel nasceu em 20 de outubro de 1887 em Ripon, Wisconsin . Ele estudou pela primeira vez no Ripon College , onde recebeu seu BA em 1909 com uma tese sobre o tratamento teórico e experimental de condensadores elétricos . Mais tarde, ele recebeu o prêmio Distinguished Alumnus da Ripon. Ele então foi para a Universidade de Wisconsin e se formou com um mestrado em física em 1910. Zobel permaneceu na Universidade de Wisconsin como instrutor de física de 1910 a 1915 e se formou com seu PhD em 1914; sua dissertação versou sobre "Condução Térmica e Radiação". Isso ocorreu após sua coautoria em 1913 de um livro sobre o tema da termodinâmica geofísica . De 1915 a 1916, ele ensinou física na Universidade de Minnesota. Tendo se mudado para Maplewood, New Jersey , ele ingressou na AT&T em 1916, onde trabalhou com técnicas de transmissão. Em 1926, ainda na empresa, mudou-se para Nova York e, em 1934, transferiu-se para a Bell Telephone Laboratories ( Bell Labs ), organização de pesquisa criada em conjunto pela AT&T e a Western Electric alguns anos antes. Ele se aposentou da Bell Telephone em 1952.

A última de sua prolífica lista de patentes ocorreu para Bell Labs na década de 1950, época em que ele residia em Morristown, New Jersey . Ele morreu lá de ataque cardíaco em janeiro de 1970.

Condução térmica

Um analisador harmônico, devido a Lord Kelvin, destinado a ser usado para a previsão das marés . Ingersoll e Zobel acharam este projeto de uso limitado para a análise de Fourier por causa do número muito pequeno de frequências medidas.

Os primeiros trabalhos de Zobel sobre condução de calor não foram prosseguidos em sua carreira posterior. Existem, no entanto, algumas conexões interessantes. Lord Kelvin, em seus primeiros trabalhos sobre a linha de transmissão, derivou as propriedades da linha elétrica por analogia com a condução de calor. Isso é baseado na lei de Fourier e na equação de condução de Fourier . Ingersoll e Zobel descrevem o trabalho de Kelvin e Fourier em seu livro e a abordagem de Kelvin para a representação das funções de transmissão seria, conseqüentemente, muito familiar para Zobel. Portanto, não é surpresa que no artigo de Zobel sobre o filtro de ondas elétricas uma representação muito semelhante seja encontrada para a função de transmissão dos filtros.

Soluções para a equação de Fourier podem ser fornecidas pela série de Fourier . Ingersoll e Zobel afirmam que em muitos casos o cálculo envolvido torna a solução "quase impossível" por meios analíticos. Com a tecnologia moderna, esse cálculo é trivialmente fácil, mas Ingersoll e Zobel recomendam o uso de analisadores harmônicos, que são a contrapartida mecânica dos analisadores de espectro de hoje . Essas máquinas somam oscilações mecânicas de várias frequências, fases e amplitudes, combinando-as por meio de um conjunto de polias ou molas: uma para cada oscilador. O processo reverso também é possível, acionando a máquina com a função e medindo os componentes de Fourier como saída.

Antecedentes da pesquisa da AT&T

Após o trabalho de John R. Carson em 1915, tornou-se claro que as transmissões telefônicas multiplexadas poderiam ser muito melhoradas pelo uso de transmissão de portadora suprimida de banda lateral única (SSB). Comparado com a modulação de amplitude básica (AM), o SSB tem a vantagem de metade da largura de banda e uma fração da potência (uma banda lateral não pode ter mais do que 1/6 da potência total e normalmente seria muito menos). AM analisado no domínio da frequência consiste em uma portadora e duas bandas laterais . A onda portadora em AM representa a maior parte da potência transmitida, mas não contém nenhuma informação. As duas bandas laterais contêm informações idênticas, de modo que apenas uma é necessária, pelo menos do ponto de vista da transmissão de informações. Até este ponto, a filtragem tinha sido feita por circuitos sintonizados simples . No entanto, SSB exigia uma resposta plana sobre a banda lateral de interesse e rejeição máxima da outra banda lateral com uma transição muito acentuada entre as duas. Como a ideia era colocar outro sinal (completamente diferente) no slot desocupado pela banda lateral indesejada, era importante que todos os vestígios dele fossem removidos para evitar diafonia . Ao mesmo tempo, a distorção mínima (isto é, resposta plana) é obviamente desejável para a banda lateral que está sendo mantida. Esse requisito levou a um grande esforço de pesquisa no projeto de filtros de ondas elétricas.

George A. Campbell e Zobel trabalharam neste problema de extrair uma única banda lateral de uma onda composta modulada em amplitude para uso na multiplexação de canais telefônicos e o problema relacionado de extrair (desmultiplexar) o sinal na extremidade da transmissão.

Inicialmente, a faixa de passagem de banda base usada era de 200 Hz a 2500 Hz, mas posteriormente a União Internacional de Telecomunicações estabeleceu um padrão de 300 Hz a 3,4 kHz com espaçamento de 4 kHz. Assim, a filtragem foi necessária para ir de passagem completa a parada total no espaço de 900 Hz. Esse padrão na telefonia ainda é usado hoje e permaneceu difundido até começar a ser suplantado pelas técnicas digitais a partir da década de 1980.

Campbell já havia utilizado a condição descoberta no trabalho de Oliver Heaviside para transmissão sem perdas para melhorar a resposta de frequência das linhas de transmissão usando indutores de componente concentrado ( bobinas de carga ). Quando Campbell começou a investigar o projeto de filtros de ondas elétricas em 1910, esse trabalho anterior naturalmente o levou a filtros usando topologia de rede em escada usando capacitores e indutores. Passa-baixa , passa-alta e passa-banda filtros foram projetados. Cortes mais nítidos e rejeição de banda de parada maior para qualquer especificação de projeto arbitrária poderiam ser alcançados simplesmente aumentando o comprimento da escada. Os designs de filtro usados ​​por Campbell foram descritos por Zobel como filtros k constantes, embora este não fosse um termo usado pelo próprio Campbell.

Inovações

Depois que Zobel chegou ao Departamento de Engenharia da AT&T, ele usou suas habilidades matemáticas para aprimorar ainda mais o projeto de filtros de ondas elétricas. Carson e Zobel desenvolveram o método matemático de análise do comportamento dos filtros, agora conhecido como método da imagem , pelo qual a impedância e os parâmetros de transmissão de cada seção são calculados como se fizessem parte de uma cadeia infinita de seções idênticas.

Filtros de onda

Um desenho original de Zobel de um filtro passa-banda usado para casamento de impedância

Zobel inventou a seção de filtro derivada de m (ou tipo m) em 1920, a característica distintiva desse projeto sendo um pólo de atenuação próximo à frequência de corte do filtro . O resultado desse projeto é uma resposta do filtro que cai muito rapidamente além da frequência de corte. Uma transição rápida entre a banda passante e a banda parada era um dos principais requisitos para agrupar o máximo possível de canais telefônicos em um cabo.

Uma desvantagem da seção do tipo m era que nas frequências além do pólo de atenuação, a resposta do filtro começou a aumentar novamente, atingindo um pico em algum lugar na banda de parada e caindo novamente. Zobel superou esse problema projetando filtros híbridos usando uma mistura de seções constantes do tipo k e m. Isso deu a Zobel as vantagens de ambos: a transição rápida do tipo m e uma boa rejeição de banda de parada da constante k.

Em 1921, Zobel aperfeiçoou ainda mais seus projetos de filtros compostos. Ele agora estava usando, além disso, meias seções do tipo m nas extremidades de seus filtros compostos para melhorar a combinação da impedância do filtro com a fonte e a carga, uma técnica da qual ele tinha uma patente. A dificuldade que ele estava tentando superar era que as técnicas de impedância de imagem usadas para projetar seções de filtro somente davam a resposta matematicamente predita se elas terminassem em suas respectivas impedâncias de imagem. Tecnicamente, isso era fácil de fazer dentro do filtro, pois sempre poderia ser organizado que as seções de filtro adjacentes tivessem impedâncias de imagem correspondentes (uma das características das seções do tipo m é que um lado ou outro da seção do tipo m terá um impedância da imagem idêntica à seção k constante equivalente). No entanto, as impedâncias de terminação são uma história diferente. Normalmente, é necessário que sejam resistivos, mas a impedância da imagem será complexa. Pior ainda, nem mesmo é matematicamente possível construir uma impedância de imagem de filtro a partir de componentes discretos. O resultado da incompatibilidade de impedância são reflexos e um desempenho degradado do filtro. Zobel descobriu que um valor de m = 0,6 para as meias seções finais, embora não matematicamente exato, deu uma boa combinação para terminações resistivas na banda passante.

Por volta de 1923, os designs de filtro de Zobel estavam atingindo o pico de sua complexidade. Ele agora tinha uma seção de filtro à qual havia aplicado duplamente o processo de derivação m, resultando em seções de filtro que ele chamou de tipo mm '. Isso tinha todas as vantagens do tipo M anterior, mas ainda mais. Uma transição ainda mais rápida para a banda de parada e uma impedância característica ainda mais constante na banda de passagem. Ao mesmo tempo, um lado corresponderia ao antigo tipo m, assim como o tipo m poderia corresponder ao tipo k . Como agora havia dois parâmetros arbitrários (m e m ') que o projetista do filtro poderia ajustar, poderiam ser projetadas meias-seções de finalização muito melhor. Um filtro composto usando essas seções teria sido o melhor que poderia ter sido alcançado naquele momento. No entanto, as seções do tipo mm' nunca se tornaram tão difundidas e conhecidas como as seções do tipo m, possivelmente porque sua maior complexidade dissuadiu os projetistas. Eles teriam sido inconvenientes para implementar com tecnologia de micro-ondas e o aumento da contagem de componentes, especialmente componentes enrolados, os tornava mais caros para implementar com tecnologia LC convencional . Certamente, é difícil encontrar um livro didático de qualquer período que cubra seu design.

Simulação de linha de transmissão

Zobel direcionou grande parte de seus esforços na década de 1920 para construir redes que pudessem simular linhas de transmissão. Essas redes foram derivadas de seções de filtro, que foram derivadas da teoria de linha de transmissão e os filtros foram usados ​​em sinais de linha de transmissão. Por sua vez, essas linhas artificiais foram usadas para desenvolver e testar melhores seções de filtro. Zobel usou uma técnica de design baseada em sua descoberta teórica de que a impedância olhando para o final de uma cadeia de filtros era praticamente a mesma (dentro dos limites das tolerâncias dos componentes) que a impedância teórica de uma cadeia infinita após apenas um pequeno número de seções terem sido adicionado à cadeia. Essas impedâncias de "imagem" têm uma caracterização matemática impossível de construir simplesmente a partir de componentes discretos e só podem ser aproximadas. Zobel descobriu que usar essas impedâncias construídas a partir de pequenas cadeias de filtros como componentes em uma rede maior permitiu a ele construir simuladores de linha realistas. Não pretendiam, de forma alguma, ser filtros práticos no campo, mas sim construir bons simuladores de linha controláveis ​​sem ter de lidar com o inconveniente de quilômetros de cabo.

Equalizadores

Zobel inventou vários filtros cuja característica definidora era uma resistência constante como impedância de entrada. A resistência permaneceu constante através da banda de passagem e da banda de parada. Com esses projetos, Zobel resolveu completamente o problema de casamento de impedância. A principal aplicação dessas seções não tem sido tanto para filtrar frequências indesejadas, os filtros tipo k e tipo m permaneceram melhores para isso, mas sim para equalizar a resposta na banda de passagem para uma resposta plana.

Talvez uma das invenções mais fascinantes de Zobel seja a seção de filtro de rede . Esta seção é tanto de resistência constante quanto de atenuação zero de resposta plana em toda a banda, embora seja construída com indutores e capacitores. O único parâmetro de sinal que ele modifica é a fase do sinal em diferentes frequências.

Impedância

Um tema comum em todo o trabalho de Zobel é a questão do casamento de impedância. A abordagem óbvia para o projeto do filtro é projetar diretamente para as características de atenuação desejadas. Com o poder da computação moderna, uma abordagem de força bruta é possível e fácil, simplesmente ajustando cada componente de forma incremental enquanto recalcula em um processo iterativo até que a resposta desejada seja alcançada. No entanto, Zobel desenvolveu uma linha de ataque mais indireta. Ele percebeu muito cedo que impedâncias incompatíveis inevitavelmente significavam reflexos, e reflexos significavam perda de sinal. Melhorar a combinação de impedância, por outro lado, melhoraria automaticamente a resposta da banda passante de um filtro.

Esta abordagem de casamento de impedância não só levou a melhores filtros, mas as técnicas desenvolvidas podem ser usadas para construir circuitos cujo único propósito era combinar duas impedâncias díspares. Zobel continuou a inventar redes de correspondência de impedância ao longo de sua carreira. Durante a Segunda Guerra Mundial, ele mudou para filtros de guia de ondas para uso na tecnologia de radar recentemente desenvolvida . Pouco foi publicado durante a guerra por razões óbvias, mas no final, com o Bell Labs na década de 1950, Zobel projeta seções para corresponder a tamanhos fisicamente diferentes de guias de ondas. No entanto, o circuito mencionado acima, que ainda leva o nome de Zobel hoje, a rede de resistência constante, pode ser visto como um circuito de casamento de impedância e continua sendo a melhor realização de Zobel a esse respeito.

Equalização de alto-falante

O nome de Zobel é, talvez, mais conhecido no que diz respeito às redes de compensação de impedância para alto-falantes e seus projetos têm aplicações neste campo. No entanto, nenhuma das patentes ou artigos de Zobel parecem discutir esse tópico. Não está claro se ele realmente projetou algo especificamente para alto-falantes. O mais perto que chegamos disso é quando ele fala de casamento de impedância em um transdutor, mas aqui ele está discutindo um circuito para equalizar um cabo submarino, ou em outra instância onde claramente ele tem em mente o transformador híbrido que termina uma linha que vai para um instrumento telefônico em um circuito fantasma .

Barulho

Enquanto Carson liderava teoricamente, Zobel estava envolvido no projeto de filtros com o propósito de redução de ruído em sistemas de transmissão.

Fundo

No início da década de 1920 e até a década de 1930, o pensamento sobre o ruído foi dominado pela preocupação dos engenheiros de rádio com a estática externa . Na terminologia moderna, isso incluiria ruído aleatório ( térmico e de disparo ), mas esses conceitos eram relativamente desconhecidos e pouco compreendidos na época, apesar de um artigo anterior de Schottky em 1918 sobre ruído de disparo. Para os engenheiros de rádio da época, estática significava interferência gerada externamente. A linha de ataque contra o ruído dos engenheiros de rádio incluía o desenvolvimento de antenas direcionais e a mudança para frequências mais altas, onde o problema não era tão grave.

Para os engenheiros de telefonia, o que era então chamado de "ruído flutuante", e agora seria descrito como ruído aleatório, ou seja, ruído térmico e disparado, era muito mais perceptível do que nos primeiros sistemas de rádio. Carson ampliou o conceito de relação sinal-estática dos engenheiros de rádio para uma relação sinal-ruído mais geral e apresentou uma figura de mérito para o ruído.

Impossibilidade de cancelamento de ruído

A preocupação dos engenheiros de rádio com a estática e as técnicas utilizadas para reduzi-la levaram à ideia de que o ruído poderia ser totalmente eliminado, de alguma forma, compensando-o ou cancelando-o. O ponto culminante desse ponto de vista foi expresso em um artigo de 1928 de Edwin Armstrong . Isso levou a uma réplica famosa de Carson em um artigo subsequente, "O ruído, como os pobres, sempre estará conosco". Armstrong estava tecnicamente errado nessa troca, mas em 1933, irônica e paradoxalmente, inventou o FM de banda larga que melhorou enormemente o desempenho de ruído do rádio ao aumentar a largura de banda.

Carson e Zobel em 1923 mostraram conclusivamente que a filtragem não pode remover o ruído no mesmo grau que, digamos, a interferência de outra estação poderia ser removida. Para fazer isso, eles analisaram o ruído aleatório no domínio da frequência e postularam que ele contém todas as frequências em seu espectro. Este foi o primeiro uso da análise de Fourier para descrever ruído aleatório e, portanto, descreveu-o em termos de uma dispersão de frequências. Também foi publicado pela primeira vez neste artigo o conceito do que agora chamaríamos de ruído branco de banda limitada . Para Zobel, isso significava que as características do filtro receptor determinam completamente a figura de mérito na presença de ruído branco e que o projeto do filtro foi a chave para alcançar o desempenho de ruído ideal.

Embora este trabalho de Carson e Zobel fosse muito precoce, não era universalmente aceito que o ruído pudesse ser analisado no domínio da frequência dessa maneira. Por esta razão, a mencionada troca entre Carson e Armstrong ainda foi possível anos depois. A relação matemática precisa entre potência de ruído e largura de banda para ruído aleatório foi finalmente determinada por Harry Nyquist em 1928, dando assim um limite teórico para o que poderia ser alcançado por filtragem.

Esse trabalho com o ruído produziu o conceito e levou Zobel a buscar o design de filtros combinados . Neste contexto, casado significa que o filtro é escolhido para se adequar às características do sinal, a fim de admitir todo o sinal disponível sem admitir nenhum ruído que pudesse ter sido excluído. O insight subjacente é que admitir o máximo de sinal disponível, sem admitir nenhum ruído que possa ser excluído, maximizará a relação sinal-ruído. Quando a relação sinal-ruído é maximizada, o desempenho de ruído do equipamento é ideal. Esta conclusão foi o culminar de uma pesquisa teórica sobre a remoção de ruído pela aplicação de filtros lineares . Isso se tornou importante no desenvolvimento do radar durante a Segunda Guerra Mundial, na qual Zobel desempenhou um papel.

Uso de trabalho em pesquisa de programação genética

O trabalho de Zobel encontrou recentemente uma aplicação na pesquisa em programação genética . O objetivo desta pesquisa é tentar demonstrar que os resultados obtidos a partir da programação genética são comparáveis ​​às realizações humanas. Duas das medidas usadas para determinar se um resultado de programação genética é competitivo em humanos são:

• O resultado é uma invenção patenteada.
• O resultado é igual ou melhor do que um resultado que foi considerado uma conquista em sua área no momento da descoberta.

Um desses problemas definidos como uma tarefa para um programa genético era projetar um filtro cruzado para alto - falantes woofer e tweeter . O projeto de saída era idêntico em topologia a um projeto encontrado em uma patente de Zobel para um filtro para separar frequências baixas e altas multiplexadas em uma linha de transmissão. Isso foi considerado comparável a humanos, não apenas por causa da patente, mas também porque as seções passa-alta e passa-baixa foram " decompostas " como no projeto de Zobel, mas não especificamente necessário para ser assim nos parâmetros do programa. Se o design do filtro de Zobel seria bom ou não para um sistema de alta fidelidade é outra questão. O projeto na verdade não se cruza, mas, em vez disso, há uma lacuna entre as duas bandas de passagem onde o sinal não é transmitido para nenhuma das saídas. Essencial para multiplexação, mas não tão desejável para reprodução de som.

Um experimento posterior de programação genética produziu um projeto de filtro que consistia em uma cadeia de seções k constantes terminadas em uma meia seção do tipo m. Este também foi determinado como sendo um design patenteado por Zobel.

Referências

Fontes

• Bray, J , Innovation and the Communications Revolution , Institution of Electrical Engineers , 2002 ISBN  0-85296-218-5 .
• Leonard, R, Zobel, OJ, Ingersoll, AC, Uma Introdução à Teoria Matemática da Condução de Calor com Engenharia e Aplicações Geológicas , 1913, Ginn and Co, Boston, New York.
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• Schwartz, M, " Improving the Noise Performance of Communication Systems: 1920 to early 1930 ", Technologies, Technologists & Networks: A Symposium on the History of Communication Technologies , 17 de outubro de 2007, Smithsonian National Postal Museum.
• Zobel, OJ, Theory and Design of Uniform and Composite Electric Wave Filters , Bell System Technical Journal, Vol. 2 (1923), pp. 1-46.