Фрэнк Грей

Фрэнк Грей (англ. Frank Gray; 13 сентября 1887, Алтуна, Пенсильвания, США — 23 мая 1969, Нью-Йорк, США) — американский физик и инженер, известный своими работами в области электросвязи, телевидения и цифровой обработки сигналов. Наиболее значимым изобретением Грея является код Грея (также известный как отражённый двоичный код) — система двоичного кодирования, в которой две последовательные комбинации отличаются только одним битом. Этот код широко применяется в цифровой электронике, измерительных приборах и системах связи для минимизации ошибок при передаче данных.

Биография

Фрэнк Грей родился 13 сентября 1887 года в городе Алтуна, штат Пенсильвания. О его ранних годах и семейном происхождении известно немного. В 1911 году он окончил Университет Пердью (штат Индиана) со степенью бакалавра наук по электротехнике. После окончания университета Грей поступил на работу в компанию General Electric, где занимался разработкой электронных ламп и систем радиосвязи.

В 1919 году Грей перешёл в исследовательскую лабораторию компании Western Electric, которая в 1925 году стала частью Bell Telephone Laboratories (Bell Labs). В Bell Labs он проработал до выхода на пенсию в 1952 году, занимая должность инженера-исследователя. За свою карьеру Грей получил более 40 патентов, в основном в области телевидения, радиолокации и цифровой передачи данных.

Научные достижения

Код Грея (1947)

Основное изобретение Фрэнка Грея — двоичный код Грея (также называемый отражённым двоичным кодом). В 1947 году Грей подал заявку на патент США № 2,632,058 «Pulse Code Communication» (выдан в 1953 году), в котором описал метод кодирования импульсных сигналов для уменьшения влияния ошибок при передаче данных. В отличие от стандартного двоичного кода, где при переходе между соседними числами может изменяться несколько битов (например, от 3 (011) к 4 (100) меняются все три бита), код Грея гарантирует, что при последовательном изменении значения меняется только один бит. Это свойство делает его устойчивым к ошибкам, возникающим из-за временных задержек или несинхронности работы цифровых схем.

Код Грея строится по рекурсивному принципу: для получения кода для n бит берётся код для n-1 бит, к нему добавляется его зеркальное отражение, а затем к первой половине дописывается 0, ко второй — 1. Например:

• 1-битный код: 0, 1.
• 2-битный код: 00, 01, 11, 10.
• 3-битный код: 000, 001, 011, 010, 110, 111, 101, 100.

Код Грея получил широкое распространение в цифровых энкодерах (например, в датчиках угла поворота), где он позволяет избежать ошибок при считывании положения механических дисков. Также он используется в алгоритмах обработки изображений, системах связи (модуляция QAM), в картах Карно для минимизации логических схем и в решении задачи «Ханойская башня».

Телевидение и передача изображений

До изобретения кода Грея Фрэнк Грей внёс значительный вклад в развитие телевидения. В 1920-х годах в Bell Labs он работал над системами механического телевидения, использующими вращающийся диск Нипкова. В 1927 году Грей совместно с Гербертом Ивсом и Джоном Логи Бэрдом участвовал в демонстрации первой в США системы передачи телевизионного изображения на расстояние (из Вашингтона в Нью-Йорк). Система использовала 50-строчную развёртку и передавала движущиеся изображения с частотой 18 кадров в секунду.

В 1930-х годах Грей занимался разработкой электронных систем телевидения, в частности, созданием иконоскопа — одной из первых передающих телевизионных трубок. Однако его работы в этой области были менее известны, чем достижения Владимира Зворыкина и Фило Фарнсуорта.

Радиолокация и связь

Во время Второй мировой войны Грей работал над системами радиолокации для военных нужд. Он разработал методы кодирования радиолокационных сигналов, которые повышали помехоустойчивость и точность определения расстояния до цели. После войны он продолжил исследования в области импульсной кодовой модуляции (PCM), что в конечном итоге привело к созданию кода Грея.

Патенты

Фрэнк Грей является автором более 40 патентов, среди которых наиболее значимые:

• US Patent 2,632,058 (1953) — «Pulse Code Communication» (основной патент на код Грея).
• US Patent 1,751,571 (1930) — «Television System» (система передачи телевизионных сигналов с использованием диска Нипкова).
• US Patent 2,153,165 (1939) — «Electron Discharge Device» (устройство для усиления телевизионных сигналов).
• US Patent 2,406,220 (1946) — «Radar System» (система радиолокации с улучшенной помехоустойчивостью).

Признание и наследие

Фрэнк Грей не получил широкой известности при жизни, однако его изобретение — код Грея — стало одним из фундаментальных элементов цифровой электроники. Код назван в его честь, хотя сам Грей в своих публикациях использовал термин «отражённый двоичный код» (reflected binary code). В 1950-х годах код Грея был популяризирован в работах по теории информации и цифровой обработке сигналов.

В 1960 году Грей был удостоен премии IEEE за вклад в развитие связи. После выхода на пенсию в 1952 году он продолжал консультировать Bell Labs до своей смерти в 1969 году. Фрэнк Грей скончался 23 мая 1969 года в Нью-Йорке в возрасте 81 года.

Интересные факты

• Код Грея используется в современных автомобильных датчиках положения рулевого колеса, в лазерных принтерах для синхронизации вращения барабана, а также в системах GPS для коррекции ошибок.
• Существует множество разновидностей кода Грея: n-мерный, циклический, сбалансированный, а также код Грея для недвоичных систем счисления (например, троичный).
• В 2010 году в честь Фрэнка Грея был назван кратер на Меркурии (диаметром около 40 км), что является редким признанием для инженера, не связанного с космической программой.

Источники

• Gray, F. «Pulse Code Communication». US Patent 2,632,058, 1953.
• Bell Telephone Laboratories. «A History of Engineering and Science in the Bell System: The Early Years (1875–1925)». 1975.
• IEEE Global History Network. «Frank Gray». 2012.
• П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники». Том 1, 7-е издание, 2003.
• Национальный музей американской истории (Смитсоновский институт). «Frank Gray Papers».