Структура и управление системой ввода-вывода аналоговых сигналов

Ответ: В компьютер компакт-диск (Compact Disk, CD) пришел из цифровой аудиозаписи. Аудио компакт-диски, называемые Audio-CD, были разработаны фирмами Sony и Philips в 1982году. В процессе разработки были решены три основные задачи: удержание луча лазера надорожке носителя с точностью 0,2 мкм при допустимом эксцентриситете оси вращения диска порядка 70 мкм; удержание фокуса лазерного луча на поверхности носителя с точностью0,2 мкм при допустимом биении диска 0,5 мм; обеспечение наличия ошибок чтения с дискана уровне 10-22 – 10-25 при наличии дефектов записи на уровне 10-3 – 10-5. Рассмотрим основытехнологии CD-ROM и ее главные характеристики. Толщина диска составляет 1,2 мм, диаметр — 120мм. Диск изготавливается из прозрачного поликарбоната, который покрыт с одной стороны тонким

металлическим отражающим слоем (алюминия, реже золота) и защитной пленкой специального прозрачного лака. Информация на диске записана в виде чередования углублений в поверхности металлического слоя (load). Двоичный нуль представляется на диске как в виде углубления, так и в виде основной поверхности, а двоичная единица — в виде границы между ними. При кодировании 1 байта (8 бит) информации на диске записывается 14 бит плюс 3 бита слияния (merge bit). Базовая информационная единица — кадр (frame) содержит 24 кодированных байта или 588 бит (24 ´ (14+3)+180 бит для коррекции ошибок). Кадры на диске образуют секторы и блоки. Сектор содержит 3234 кодированных байта (2352 информационных байта и 882 байта коррекции ошибок и управления). Такая организация записи данных на CD-ROM и использование алгоритмов

коррекции ошибок позволяют обеспечить качественное чтение информации с вероятностью ошибки на бит 10-10. Для обнаружения и исправления ошибок применяют чередующийся код Рида-Соломона CIRC (Cross-Interleaved Reed-Solomon Code), что позволяет получить уровень битовых ошибок порядка 10-9. Ошибочные (но невосстановленные) выборки игнорируются, в этих местах аудиосигнал интерполируется. Для того чтобы уменьшить субъективные потери качества звука (щелчки) из-за ошибок считывания канальных символов, выборки перемешивают и «размазывают» по блоку. Благодаря этому приему локальные дефекты дорожки (например, от радиальных царапин) не приводят к потере большого числа смежных выборок (вспомним о микронных размерах ямок) и легко сглаживаются интерполятором. Уровень качества считывания характеризуется коэффициентом, или. скоростью ошибок (Error

Rate). Данный параметр отражает способность привода CD-ROM корректировать ошибки

записи/чтения. Паспортные значения коэффициента ошибок составляют 10-10 — 10-12. Коэффициент ошибок представляет собой оценку вероятности искажения информационного бита при его считывании. Когда привод считывает данные с загрязненного или поцарапанного участка диска, он

регистрирует группу ошибочных битов. Если ошибку не удается устранить за счет избыточности помехоустойчивого кода (применяемого при записи/чтении), то привод переходит на пониженную скорость считывания данных с многократным его повтором. Если механизм коррекции ошибок не справляется с устранением сбоя, то на мониторе компьютера появляется сообщение «Сектор не найден» (Sector not found). В случае устранения сбоя привод переключается на максимальную скорость считывания данных.

блок защиты от ошибокКак следует из его названия, он должен производить какие-то операции, позволяющие обеспечить сохранность записываемой на компакт-диск

информации от искажений. Такие искажения могут возникнуть при тиражировании на заводе-изготовителе в результате загрязнения или повреждения диска в процессе эксплуатации и как следствие кратковременных сбоев систем считывания. Средняя вероятность появления ошибки при воспроизведении компакт-диска – 10-5. Это для диска среднего качества, плохие могут иметь такую вероятность до 10-3. На слух ошибка воспринимается как треск, интенсивность которого зависит от того, в каком разряде 1б-разрядной выборки она произошла. Если бы защита от ошибок отсутствовала

вовсе, то слушать такой диск было бы невозможно – был бы сплошной треск, на фоне которого слегка прослушивалась бы музыка.

Для того, чтобы с помощью тех же кодов можно было бороться и с длинными повреждениями – пришлось разработать остроумнейшую систему перераспределения символов как внутри каждого кадра, так и между разными кадрами. Это называется перекрестным перемежением. Смысл всей этой процедуры перемежения заключается в том, чтобы перед записью разнести символы одного кадра как можно дальше друг от друга в пространстве и во времени. То есть, сделать так, чтобы эти символы были

записаны на дорожке не подряд один за другим, а с достаточно большим промежутком между ними, заполненным символами из других кадров – точно так же «размазанных» по поверхности диска. Тогда практически любое повреждение, даже очень длинное, не может испортить больше одного-двух символов в каждом кадре. Когда информация с компакт-диска считывается проигрывателем, то происходит восстановление первоначального порядка следования символов (деперемежение) и результат воздействия длинного дефекта оказывается эквивалентным воздействию большего или меньшего числа коротких дефектов, а с ними, как говорилось выше, система декодирования вполне способна справиться.

Блок защиты от ошибок содержит две ступени кодирования кодами, обнаруживающими и исправляющими ошибки Cl и С2 и три ступени перемежения (рис. 8.68). Для того, чтобы обнаружение и исправление ошибок было возможным, каждый из кодеров С1 и С2 вычисляет по имеющимся информационным символам четыре проверочных символа, которые также состоят из восьми двоичных разрядов. При выполнении операций помехоустойчивого кодирования и декодирования, совокупность символов, входящих в каждый рассматриваемый кадр, называется кодовым словом. Вычисления производятся таким образом, что проверочные символы содержат в себе информацию обо всех других символах, входящих в данное кодовое слово. символов, а после второго этапа кодирования – 28 + 4 = 32 символа. Эти проверочные символы

показаны на рис. 8.67 г в середине и в конце кадра. Они заштрихованы.

Для тех, кто знаком с помехоустойчивым кодированием, можно отметить, что в вышеописанной процедуре используются два кода Рида-Соломона C2 и C1 над полем Галуа GF(28) с образующим многочленом

F(X) = X8+ X4 + X3 +X2 + 1

Для тех, кого не устраивает краткое пояснение процедуры перемежения, и кто хочет познать его глубинный смысл, на рис. 8.69 приводится полная схема всех трех этапов. Остальные могут нижеследующее спокойно пропустить. Слева на схеме буквами L н R с индексами показаны 1б-разрядные стерео выборки левого и правого каналов по шесть и, того и другого. Буквами W с индексации обозначены 8-разрядные символы, на которые стерео выборки делятся. А - это старшие разряды, В - младшие. Их, как известно, в каждом кадре (кодовом слове) – 24. Квадратик с обозначением С2 – это первый кодер Рида-Соломона. То же с обозначением С1 – второй кодер. Цифра 2, стоящая внутри овала на схеме первого этапа перемежения, означает, что данный символ задерживается на два кадра. Кроме того, меняется местоположение символов внутри кодового слова. Для чего – будет сказано чуть позже. Буква D, стоящая внутри овала на схеме второго этапа перемежения, означает задержку на четыре кадра. Следовательно, 27D внутри овала говорит о том, что данный символ задерживается на27´4=108

кадров. Таким образом, после второго этапа перемежения каждый последующий символ кодового слова С2 будет отстоять от предыдущего на четыре кадра. А все кодовое слово целиком растянется на 109 кадров. Если выразить эти 109 кадров в виде длины дорожки на компакт-диске, то получится примерно 17,5 мм. А расстояние между двумя соседними символами кодового слова составит около 0,7 мм. Согласитесь, что расстояния получаются довольно приличные, и, для того, чтобы повредить хотя бы два соседних символа, нужна такая соринка, которая уже будет видна невооруженным глазом.

Теперь вернемся к первому этапу перемежения. Если внимательно всмотреться в его схему, то можно заметить, что изменение местоположения символов выполнено с таким расчетом, чтобы пары символов соседних стерео выборок одного и того же канала переместились как можно дальше друг от друга. Например, символы W12n,A и W12n,В стерео выборки левого канала L6n остаются на своем месте, и после выполнения второго этапа перемежения попадают в тот же и в четвертый кадры. Символы же следующей стерео выборки левого канала Lбn+1 (W12n+1,А и W12n+1,B) перемещаются

на такие позиции, что после второго этапа перемещения оказываются задержанными на 16D (64 кадра) и 17D (68 кадров), т.е. достаточно далеко от символов выборки L6n. Символы следующей стерео выборки того же левого канала L6n+2, перемещаются на такие позиции, что после второго этапа перемежения задерживаются на 2D (8 кадров) и 3D (12 кадров) – подальше от соседней L6n+1. То, что при этом выборка L6n+2 оказывается вблизи L6n не страшно – она для нее не соседняя. Соседние для нее только L6n+1 и L6n+3, а от них-то она и удалилась. Тот же принцип соблюдается и при перемещениях символов всех остальных стерео выборок, как левого, так и правого каналов. Причиной подобных манипуляций служит то, что коррекция кодами

Рида-Соломона – не единственный способ борьбы с ошибками. На всякий случай в системе CD для этого предусмотрен еще так называемый метод интерполяции, когда значение ошибочной выборки, которую по каким -либо причинам не смог исправить декодер Рида-Соломона, вычисляется исходя из значений двух соседних исправных выборок. Такая ситуация хотя и редка, но встречается, особенно тогда, когда, с целью удешевления конструкции декодера Рида-Соломона, он выполняется не по полной схеме, а по упрощенной. В этом случае он может корректировать не две ошибки в кодовом

слове, а всего лишь одну. Однако, обнаруживающая способность его при этом не уменьшается, и каждый испорченный (или подозрительный на «испорченность» – что встречается много чаще) символ имеет указатель ошибки. Интерполяция – это более простой способ борьбы с ошибками, но неточный. Если декодер способен исправлять ошибки только точно (по другому он «не умеет»), то интерполятор, строго

говоря, вообще их не исправляет, а заменяет их значения средним арифметическим от величин двух соседних выборок. Обратите внимание – выборок (16-разрядных), а не символов (8-разрядных). Интерполяция выполняется уже после завершения декодирования декодерами Рида-Соломона и восстановления первоначального порядка следования символов (деперемежения), включая объединение символов старших и младших разрядов каждой стерео выборки. Из вышесказанного становится понятным, для чего символы соседних выборок желательно разнести как можно дальше друг от друга.

Третий этап перемежения – задержка половины символов на один кадр – выполняется

исключительно для борьбы с короткими ошибками (длиной до одного символа). Если такая ошибка попадает на границу двух соседних символов, то после деперемеження поврежденными окажутся только по одному символу в смежных кодовых словах.

И, наконец, инвертирование проверочных символов производится для того, чтобы декодер не мог «перепутать» кодированный 0 (пауза в музыкальном сигнале) с какой-либо неисправностью в тракте воспроизведения (отсутствие сигнала вообще). В первом случае на декодер С1 поступят все «нули», во втором – проверочные символы будут «единицами», что укажет на наличие сбоя всего кадра. Реализуются все три этапа перемежения с помощью запоминающего устройства с произвольной

выборкой (ЗУПВ) объемом 2 килобайта (2Kx8). Это позволяет производить запись символов в порядке поступления, а считывать – в любом необходимом порядке. Итак, на выходе блока защиты от ошибок формируется последовательность кадров, каждый из

которых содержит в себе 32 8-разрядных символа, восемь из которых – проверочные (рис. 8.67 г). Эта последовательность поступает на следующий элемент тракта – модулятор 5 (см, рис. 8.66). Одной из основных задач этого блока является преобразование

сформированного потока двоичных данных в форму, позволяющую получить наибольшую плотность записи на оптическом носителе, которым является компакт-диск, и обеспечивающую оптимальные условия для ее безошибочного считывания при воспроизведении. Плотность записи характеризует количество информации (в битах), которое можно записать на единице площади носителя. В нашем случае, при заданном расстоянии между дорожками, плотность записи будет тем выше, чем большее количество информации разместится на единице длины дорожки. Запись на компакт-диск (имеется в виду диск-оригинал) осуществляется путем формирования на его поверхности микрорельефа в виде углублений и промежутков между ними с помощью

сфокусированного луча лазера. Углубления при этом соответствуют двоичным «единицам», а промежутки – двоичным «нулям». Луч конкретного лазера можно сфокусировать на поверхность носителя в точку вполне определенных для данного лазера минимальных размеров. И результатом воздействия этой точки будет «отметина» (или «пит» – как говорят специалисты) тоже вполне конкретных размеров, которые

зависят от длины волны излучения используемого лазера. Этот минимально возможный пит в общем случае будет отображать только одну единицу информации – один бит. Но это если не предпринимать никаких мер для повышения плотности записи.

6. Вопрос: Почему применение магнитно-резистивных головок позволяет увеличить физическую плотность записи на магнитной поверхности по сравнению с магнитно-динамическими головками?

Ответ:

В современных накопителях для считывания все чаще применяют магниторезистивные головки, основанные на эффекте анизотропии сопротивления полупроводников в магнитном поле (AMR — anisotropic magnetoresistance). В них через магниторезистивный датчик пропускают измерительный ток, и величина падения напряжения на нем пропорциональна намагниченности находящегося под головкой участка магнитной

поверхности. В отличие от индуктивной магниторезистивная головка вырабатывает сигнал не по производной записанного сигнала, а повторяет его форму. Магниторезистивная головка считывания хорошо уживается с индуктивной головкой записи, что позволяет достигать высокой плотности записи информации на магнитный носитель. Однако по технологии изготовления она сложнее тонкопленочной индуктивной, поскольку в ней сочетаются разнородные компоненты. Магниторезистивные головки позволяют добиться чрезвычайно высокой плотности записи данных и быстродействия накопителей. В большинстве накопителей 3,5", емкость которых превышает 1 Гбайт, используются MR-головки. Принцип работы головки основан на том, что при считывании

данных реактивное сопротивление обмотки MR-головки оказывается различным при прохождении над участками с разными значениями остаточной намагниченности. Таким образом, в отличие от предыдущих типов, магниторезистивная головка восприимчива не к изменениям, а к самим значениям намагниченности рабочего слоя. В конструкцию головки включена добавочная обмотка, через которую протекает постоянный измерительный ток, и при изменении сопротивления обмотки, по мере перемещения над носителем, изменяется падение напряжения на ней. Амплитуда выходного сигнала такой головки в несколько раз больше, чем тонкопленочной. Главной особенностью MR-головки является то, что она представляет собой резистивный датчик магнитного поля, а не генератор электродвижущей силы, как головки описанных выше типов.

Поскольку на основе магниторезистивного эффекта можно построить только считывающее устройство, MR-головка конструктивно состоит из двух частей — записывающей и считывающей. Записывающая часть представляет собой тонкопленочную головку. Таким образом, в MR-головке функции чтения и записи распределены между двумя узлами. Во всех рассмотренных ранее головках применяется один рабочий зазор как для чтения, так и для записи, а в MR-головке их два — каждый для свей операции. В MR-головках величина каждого зазора может быть подобрана оптимальной: у считывающего узла зазор должен быть узким (для увеличения

разрешающей способности), а у записывающего — более широким (для более глубокого

проникновения магнитного потока в рабочий слой носителя).

7. Вопрос: Охарактеризуйте основные способы увеличения скорости записи информации во флэш-память.

Флэш-память второго поколения. Ячейки микросхем второго поколения группируются в блоки, допускающие не­зависимое стирание. Длительная операция стирания одного блока может пре­рываться для выполнения считывания данных других блоков, что значительно повышает гибкость и производительность устройства. Они имеют более сложный внутренний управляющий автомат и регистр состояния, что позволяет разгру­зить внешний процессор и программу от забот по отслеживанию длительности операции программирования и стирания, а также упростить эти процедуры. По способу разбиения на блоки, ориентированному на различные области приме­нения, различают микросхемы Boot Block и Flash File.

Доминирующими для лазерных принтеров являются электрофотографическая и светодиодная (LED, Light Emitting Diode) технологии. Электрофотографическая технология подобна используемой в копировальных аппаратах. В светодиодной технологии в качестве оптического устройства, формирующего изображение, используются светодиоды (исторически светодиодные принтеры

относятся к классу лазерных). Светодиодная технология, как правило, находит применение в широкоформатных принтерах (до 36 дюймов). Электрофотографическая технология обычно используется в настольных и офисных лазерных принтерах.

Формирование изображения. Лазерные принтеры формируют изображение путем

позиционирования точек на бумаге (растровый метод). Первоначально страница формируется в памяти принтера и лишь затем передается в механизм печати. Растровое представление символов и графических образов производится под управлением контроллера принтера. Каждый образ формируется путем соответствующего расположения точек в ячейках сетки или матрицы, как на шахматной доске (рис. 6.26).

Рис 6.26. Растровый метод формирования образа.

Принцип действия. Лазерные принтеры используют технологию фотокопирования, называемую еще электрофотографической (см. раздел 6.5 2), которая заключается в точном позиционировании точки на странице посредством изменения электрического заряда на специальной пленке из фотопроводящего полупроводника.

Подобная технология печати применяется в ксероксах. Принтеры фирм HP и QMS, например, используют механизм печати ксероксов фирмы Canon.

Важнейшим конструктивным элементом лазерного принтера является вращающийся

фотобарабан, с помощью которого производится перенос изображения на бумагу (рис.6.27). Фотобарабан представляет собой металлический цилиндр, покрытый тонкой пленкой из фотопроводящего полупроводника (обычно оксид цинка). По поверхности барабана равномерно распределяется статический заряд с помощью тонкой проволоки или сетки, называемой коронирующим проводом. На этот провод подается высокое напряжение, вызывающее возникновение вокруг него светящейся ионизированной области, называемой короной. Лазер, управляемый микроконтроллером, генерирует тонкий световой луч, отражающийся от

Ответ:

Как и в электронно-лучевой трубке, изображение в плазменных дисплейных панелях - ПДП (PDP — Plasma Display Panel) формируется посредством света, излучаемого специальным веществом — люминофором, только в отличие от ЭЛТ в плазменной панели на люминофор воздействует не поток электронов, а ультрафиолетовое излучение, испускаемое инициируемым электрическим разрядом инертным газом, обычно гелием или ксеноном. Ионизированный газ называется плазмой, поэтому и дисплейные

панели называются плазменными. Поскольку плазма возникает за счет ионизации газа электрическим полем, и поддерживается протекающим в ионизированном газе газоразрядным током (упорядоченном движением ионизированных молекул газа), то плазменные панели иногда называют газоразрядными индикаторными

панелями - ГИП. Наименьшим структурным элементом ПДП (ГИП) является светоизлучающая ячейка. Три ячейки (синяя, зеленая и красная) в совокупности образуют один пиксел экрана. ПДП являются основой плазменных дисплеев.

Газоразрядная индикаторная панель - это две стеклянные пластины размером порядка 200´200 мм и более, расположенные параллельно друг другу и загерметизированные по периметру тонким слоем специального герметика. На внутренних поверхностях стеклянных пластин расположены люминофорные элементы и электродные системы, образующие матричную триадную систему управления отображением

информации. Приборы наполнены смесью инертных газов. Между электродами на внутренних поверхностях стеклянных пластин сформирована диэлектрическая

матричная решетка (рис. 2.108), которая задает одинаковый во всех индикаторных ячейках зазор между электродами. Кроме того, матричная решетка предотвращает раздавливание индикатора под действием атмосферного давления. Стенки матричной решетки препятствуют проникновению излучения из одной

Рис.2.108. Структура газоразрядной индикаторной панели постоянного тока.

ячейки в другую, что обеспечивает высокий детальный контраст газоразрядных индикаторов. На внутренней поверхности одной из стеклянных пластин расположен тонкий слой люминофора, который преобразует ультрафиолетовое свечение газового разряда в видимое излучение. Как и у кинескопов, основные цвета

свечения ячеек - красный (R), зеленый (G) и синий (В). В совокупности три ячейки (RGB) образуют триаду, которая обеспечивает полноцветную цветопередачу изображения.

По существу, матричный газоразрядный индикатор состоит из множества индикаторных газоразрядных ламп, которые соединены электродами в матричную систему.

Если подать на пересекающиеся электроды напряжение выше, чем напряжение электрического пробоя индикаторной ячейки, то в ячейке зажигается разряд - ячейка светится. Напряжение зажигания индикаторных ячеек для ГИП постоянного тока составляет 250-280 В. Для стабильного зажигания разряда, уменьшения времени запаздывания зажигания на индикатор подают напряжение на 50-100 В больше, чем

напряжение зажигания. Типовая схема включения индикатора постоянного тока показана на рис. 2.109. Аноды индикатора управляются транзисторными ключами p-n-p типа, а катоды - транзисторами n-p-n типа. Частота кадровой развертки выбирается порядка 20-200 Гц. Длительность импульсов на анодах определяет яркость рисунка на индикаторе. Чем больше длительность анодных импульсов (естественно, они должны быть короче катодных), тем больше яркость свечения выбранных индикаторных ячеек. Другим элементом схемы управления, от которого зависит яркость свечения индикаторных ячеек,

является балластный резистор. Он стабилизирует разрядный ток через индикаторную ячейку. Чем меньше резистор, тем больший ток протекает через индикатор и тем выше яркость свечения ячеек ГИП. Однако разрядный ток нельзя увеличивать беспредельно, т. к. возрастает мощность, выделяемая на индикаторе и схеме управления, что может привести к их разрушению.

10. Вопрос: Охарактеризуйте принципы работы высококонтрастных цветных плоских экранов.

Ответ:

В последнее время чрезвычайно быстро развиваются разработки органических светодиодов (OLED - organic light emission diodes). Так, с 1995 по 1997 г. световая эффективность устройств на основе производных пиразолхинолина и алюминий-гидроксихинолина с антраценовыми добавками выросла с 0,4 - 1,85 лм/Вт до 4 лм/Вт, а пиковая яркость с 4000 - 10 000 кд/м2 до 50 000 - 75 000 кд/м2, а в настоящее время

значения этих параметров достигли 10-20 лм/Вт и 200 000 кд/м2. Технология изготовления органических светодиодных мониторов (OLEDs — Organic Light-Emitting

Diode displays), или LEP-мониторов (LEP — Light Emission Plastics — светоизлучающий пластик), во многом похожа на технологии изготовления ЖК- и ТПЭЛ-мониторов, но экран изготавливается из специального органического полимера (пластика), обладающего свойством полупроводимости. При пропускании электрического тока такой материал начинает светиться. OLED-дисплеи имеют определенные преимущества по сравнению, например, с ЖК-дисплеями с подсветкой. Они светоэмиссионные по природе и не требуют задней подсветки. Для OLED-дисплеев не нужны встроенные цветные фильтры и поляризационные пленки. Их конструкция может быть очень тонкой и легкой, а технология производства — дешевле, чем технология ЖК-дисплеев. OLED-дисплеи имеют высокую яркость, контраст и разрешение. Лучше, чем у ЖК-дисплеев, быстродействие и больший (свыше 160°) угол обзора. Потребляемая OLED-дисплеями мощность меньше, чем у аналогичных по формату ЖК- дисплеев с задней подсветкой, низкое рабочее напряжение (до 4 В), а изображение сохраняет высокий

контраст как в темноте, так и на свету. Благодаря этим достоинствам OLED-дисплеи становятся весьма привлекательными для их использования в портативных приборах, начиная от электронных игрушек и заканчивая сотовыми телефонами, PDA и ноутбуками.

У OLED-дисплеев есть и существенный недостаток — малая долговечность. Слой органического материала деградирует со временем, и яркость свечения уменьшается. Реальная долговечность OLED, достигнутая на 2001 г., для зеленого цвета — 10 тысяч часов, для красного — 4 тысячи часов, а для синего — всего 700 часов. Тем не менее уже налаживается промышленный выпуск OLED-дисплеев с небольшим ресурсом. Предполагается, что при использовании в сотовых телефонах для экономии ресурса батарей дисплей будет включаться на непродолжительное время и достигнутого ресурса должно хватать на время эксплуатации прибора. Следует также учесть и тот факт, что моральное старение сотового телефона и вывод его из эксплуатации может произойти гораздо раньше, чем кончится физический ресурс OLED-дисплея.

Мы поможем в написании ваших работ!