Готфрид Унгербёк

Готфрид Унгербёк (нем. Gottfried Ungerboeck; род. 15 марта 1940, Вена, Австрия) — австрийский и американский инженер, специалист в области теории информации и цифровой связи. Наиболее известен как создатель метода решётчатого кодирования (Trellis Coded Modulation, TCM), который позволил значительно повысить помехоустойчивость передачи данных без расширения полосы пропускания. Его работы оказали фундаментальное влияние на развитие современных систем связи, включая спутниковую, мобильную и проводную передачу данных.

Биография

Ранние годы и образование

Готфрид Унгербёк родился 15 марта 1940 года в Вене, Австрия. После окончания средней школы он поступил в Венский технический университет, где изучал электротехнику. В 1964 году получил диплом инженера (Dipl.-Ing.), а в 1970 году — степень доктора технических наук (Dr. techn.) за диссертацию, посвящённую вопросам кодирования и модуляции сигналов. В студенческие годы Унгербёк проявил интерес к математическим основам связи, что впоследствии определило направление его исследований.

Карьера в IBM

В 1971 году Унгербёк переехал в США и начал работать в исследовательском центре IBM Zurich Research Laboratory (Швейцария, Рюшликон). В 1973 году он перешёл в лабораторию IBM в Сан-Хосе, Калифорния (IBM Research — Almaden). В IBM он занимался разработкой алгоритмов обработки сигналов для магнитных запоминающих устройств и систем передачи данных. В 1976 году Унгербёк впервые представил концепцию решётчатого кодирования, которая была опубликована в виде технического отчёта IBM. В 1982 году вышла его ключевая статья «Channel Coding with Multilevel/Phase Signals» в журнале IEEE Transactions on Information Theory, где была формализована теория TCM.

В IBM Унгербёк проработал до 1995 года, занимая должность старшего научного сотрудника (IBM Fellow). За это время он получил несколько патентов на методы кодирования и модуляции, которые впоследствии были внедрены в стандарты спутниковой связи (например, DVB-S) и модемов для телефонных линий (V.32, V.34).

Деятельность после IBM

После ухода из IBM Унгербёк продолжил научную работу в качестве консультанта и приглашённого профессора. Он сотрудничал с компаниями Qualcomm, Broadcom и другими разработчиками чипов для беспроводной связи. В 2000-х годах Унгербёк участвовал в разработке стандартов Wi-Fi (IEEE 802.11a/g) и цифрового телевидения (DVB-T2). Его идеи легли в основу методов кодирования с обратной связью (Turbo codes) и LDPC-кодов, хотя сам он не занимался их созданием.

Научные достижения

Решётчатое кодирование (TCM)

Основной вклад Унгербёка в теорию связи — метод решётчатого кодирования (Trellis Coded Modulation). До его работ считалось, что для повышения помехоустойчивости необходимо либо увеличивать мощность сигнала, либо расширять полосу пропускания. Унгербёк предложил объединить процессы кодирования и модуляции в единую систему, где избыточность вносится не за счёт дополнительных битов, а за счёт увеличения числа состояний сигнала (например, переход от 4-уровневой модуляции к 8-уровневой). При этом кодирование строится на основе решётки (trellis) — графа, описывающего возможные переходы между состояниями.

Ключевая идея TCM заключается в том, что расстояние между сигналами в пространстве состояний увеличивается благодаря использованию свёрточного кода, что позволяет исправлять ошибки без потери скорости передачи. В своей статье 1982 года Унгербёк показал, что для канала с аддитивным белым гауссовским шумом (AWGN) TCM даёт выигрыш в отношении сигнал/шум до 3–6 дБ по сравнению с некодированной модуляцией при той же скорости передачи.

Практическое применение TCM

Метод Унгербёка был быстро внедрён в коммерческие системы связи:

• Спутниковая связь: стандарты DVB-S (1994) и DVB-S2 (2005) используют TCM с 8-фазной модуляцией (8-PSK) и 16-уровневой амплитудной модуляцией (16-QAM). Это позволило увеличить пропускную способность спутниковых каналов на 30–50 %.
• Модемы для телефонных линий: стандарты V.32 (1984) и V.34 (1994) применяют TCM для передачи данных со скоростью до 33,6 кбит/с.
• Цифровое телевидение: стандарты DVB-T (1997) и DVB-T2 (2009) используют TCM в сочетании с OFDM.
• Беспроводные сети: IEEE 802.11a/g (1999) и 802.11n (2009) включают TCM как опцию для повышения помехоустойчивости.

Другие работы

Помимо TCM, Унгербёк внёс вклад в теорию адаптивной модуляции, кодирования с обратной связью и обработки сигналов в магнитных носителях. В 1970-х годах он разработал алгоритм обнаружения сигналов с максимальным правдоподобием (Viterbi algorithm) для каналов с памятью, который впоследствии стал стандартным в системах считывания данных с жёстких дисков. Его работы по теории кодирования и модуляции цитируются в тысячах научных статей.

Признание и награды

• Член IEEE (Fellow) — с 1984 года за вклад в теорию кодирования и модуляции.
• Премия Клода Шеннона (IEEE Shannon Award) — 1994 год, высшая награда IEEE в области теории информации.
• Медаль Ричарда Хэмминга (IEEE Richard W. Hamming Medal) — 2000 год за создание решётчатого кодирования.
• Золотая медаль Эдуарда Рейна (Eduard Rhein Prize) — 2002 год за разработку TCM.
• Национальная медаль США в области технологий и инноваций (National Medal of Technology and Innovation) — 2005 год (в составе группы разработчиков стандартов связи).
• Включение в Зал славы изобретателей (National Inventors Hall of Fame) — 2015 год.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое признание, метод TCM имеет ограничения. При высоких скоростях передачи (свыше 100 Мбит/с) сложность декодирования по алгоритму Витерби становится слишком высокой, что требует использования более простых кодов (например, LDPC). Кроме того, TCM эффективен только в каналах с аддитивным шумом; в каналах с замираниями (например, в мобильной связи) его преимущество уменьшается, и приходится применять более сложные схемы с перемежением. Некоторые критики отмечают, что Унгербёк не был первым, кто предложил объединять кодирование и модуляцию — аналогичные идеи высказывались в 1960-х годах советским учёным В. И. Сифоровым, но Унгербёк впервые дал строгое математическое обоснование и практическую реализацию.

Интересные факты

• Унгербёк является автором более 50 патентов, большинство из которых принадлежат IBM.
• В 1990-х годах он консультировал компанию Qualcomm при разработке стандарта CDMA (IS-95), хотя TCM в нём не использовался.
• Его фамилия (Ungerboeck) иногда ошибочно транскрибируется как «Унгербек» или «Унгербёк», но в русскоязычной научной литературе закрепился вариант с умлаутом «ё».
• Унгербёк — один из немногих инженеров, чьи работы были включены в учебники по теории связи сразу после публикации.

Источники

• Ungerboeck, G. «Channel Coding with Multilevel/Phase Signals». IEEE Transactions on Information Theory, vol. 28, no. 1, 1982, pp. 55–67.
• Ungerboeck, G. «Trellis-Coded Modulation with Redundant Signal Sets». IEEE Communications Magazine, vol. 25, no. 2, 1987, pp. 5–21.
• Proakis, J. G. «Digital Communications». 5th ed., McGraw-Hill, 2007.
• «Gottfried Ungerboeck — Biography». IEEE Information Theory Society, 1994.
• «National Inventors Hall of Fame — Gottfried Ungerboeck». 2015.
• «Eduard Rhein Prize — Gottfried Ungerboeck». 2002.