Основы информатики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Интерфейсы локальных вычислительных сетей

Компьютерные сети, как правило, состоят из различного оборудования разных производителей, и без принятия всеми производителями общепринятых правил построения ПК и сетевого оборудования, обеспечить нормальное функционирование сетей было бы невозможно. То есть для обеспечения нормального взаимодействия этого оборудования в сетях необходим единый унифицированный стандарт, который определял бы алгоритм передачи информации в сетях. В современных вычислительных сетях роль такого стандарта выполняют сетевые протоколы.

В связи с тем, что описать единым протоколом взаимодействия между устройствами в сети не представляется возможным, то необходимо разделить процесс сетевого взаимодействия на ряд концептуальных уровней (модулей) и определить функции для каждого модуля и порядок их взаимодействия, применив метод декомпозиции.

Используется многоуровневый подход метода декомпозиции, в соответствии с которым множество модулей решающих частные задачи упорядочивают по уровням образующим иерархию, процесс сетевого взаимодействия можем представить в виде иерархически организованного множества модулей.

Протокол, интерфейс, стек протоколов

Многоуровневое представление средств сетевого взаимодействия имеет свою специфику, связанную с тем, что в процессе обмена сообщениями участвуют две стороны, то есть необходимо организовать согласованную работу двух иерархий, работающих на разных компьютерах.

Оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Соглашения должны быть приняты для всех уровней, начиная от самого низкого - уровня передачи битов - до самого высокого, реализующего сервис для пользователя. Декомпозиция предполагает четкое определение функции каждого уровня и интерфейсов между уровнями.

Взаимодействие одноименных функциональных уровней по горизонтали осуществляется посредством протоколом. Протоколом называется набор правил и методов взаимодействия одноименных функциональных уровней объектов сетевого обмена.

Взаимодействия функциональных уровней по вертикали осуществляется через интерфейсы. Интерфейс определяет набор функций, которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему уровню.

Таким образом, механизм передачи какого-либо пакета информации через сеть от клиентской программы, работающей на одном компьютере ПК 1, к клиентской программе, работающей на другом компьютере ПК 2, можно условно представить в виде последовательной пересылки этого пакета сверху вниз от верхнего уровня, обеспечивающего взаимодействие с пользовательским приложением, к нижнему уровню, организующему интерфейс с сетью, его трансляции на компьютер ПК 2 и обратной передачи верхнему уровню уже на ПК 2.

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней - как правило, чисто программными средствами. Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами - концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами и т.д. В зависимости от типа устройств в нем должны быть встроенные средства, реализующие тот или иной набор протоколов.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. В сети Интернет базовым набором протоколов является стек протоколов TCP/IP.

Стандартные коммуникационные протоколы. Стеки протоколов

Для обеспечения взаимодействия различных программных и аппаратных средств в компьютерных сетях были приняты единые правила или стандарт, который определяет алгоритм передачи информации в сетях.

В качестве стандарта были приняты сетевые протоколы, которые определяют взаимодействие оборудования в сетях. Следует отметить, что в вычислительных сетях осуществляется обмен данными не только между узлами как физическими устройствами, но и между программными модулями.

Так как взаимодействие оборудования и программ в сети не может быть описано одним единственным сетевым протокол, то был применен многоуровневый подход к разработке средств сетевого взаимодействия. В результате была разработана семиуровневая модель взаимодействия открытых систем - OSI. Эталонная модель OSІ (Open System Interconnection - OSI), разработанная в 1984 году Международной организацией по стандартизации (International Organization of Standardization - ISO), является определяющим документом концепции разработки открытых стандартов для организации соединения систем.

Эта модель разделяет средства взаимодействия на семь функциональных уровней: прикладной, представительный (уровень представления данных), сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический.

Протоколы реализуются автономными и сетевыми операционными системами (коммуникационными средствами, которые входят в ОС), а также устройствами телекоммуникационного оборудования (сетевыми адаптерами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами, шлюзами).

Рассмотрим функции, выполняемые каждым функциональным уровнем семиуровневой модели взаимодействия открытых систем при передаче пакета данных от сетевого приложения, одного компьютера к сетевому приложению, работающему на другом компьютере.

Механизм передачи сообщения между ПК1 и ПК2 можно представить в виде последовательной пересылки этого сообщения сверху вниз от прикладного уровня до физического уровня. Затем физический уровень ПК1 обеспечивает пересылку сообщения (данных) по сети физическому уровню ПК2. Далее сообщение передается снизу вверх от физического уровня до прикладного уровня ПК2.

1. Прикладной уровень - самый верхний уровень модели OSI. Прикладной уровень управляет общим доступом к сети, потоком данных и обработкой ошибок. Прикладной уровень получает запрос (сообщение) от сетевого приложения, работающего на компьютере ПК1, который требуется передать сетевому приложению, работающему на ПК2.

2. Представительный уровень (уровень представления данных) определяет формат, используемый для обмена данными между ПК1 и ПК2. На ПК1 данные, поступившие от прикладного уровня, на представительном уровне переводятся в промежуточный формат. На ПК2 на этом уровне происходит перевод из промежуточного формата в тот, который используется прикладным уровнем данного компьютера.

3. Сеансовый уровень позволяет двум приложениям на ПК1 и ПК2 устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом. Сеансовый уровень обеспечивает синхронизацию между пользовательскими задачами посредством расстановки в потоке данных контрольных точек.

4. Транспортный уровень осуществляет контроль данных и гарантирует доставку пакетов без ошибок. Кроме того, транспортный уровень выполняет деление длинных сообщений, поступающих от верхних уровней ПК1, на пакеты данных (при передаче данных) и формирование первоначальных сообщений в ПК2 из набора пакетов, полученных через канальный и сетевой уровни.

Транспортный уровень и уровни, которые находятся выше, реализуются программными средствами ПК1 и ПК2 (компонентами их сетевых операционных систем). Транспортный уровень связывает нижние уровни (физический, канальный, сетевой) с верхними уровнями, которые реализуются программными средствами.

5. Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, которые могут иметь различные принципы передачи сообщений. Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, а доставку данных между сетями выполняет сетевой уровень. Сетевой уровень реализуется программными модулями операционной системы, программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

6. Канальный уровень обеспечивает пересылку пакетов между любыми двумя ПК локальной сети. Кроме того, канальный уровень осуществляет управление доступом к передающей среде. Функции канального уровня реализуются сетевыми адаптерами и их драйверами.

7. Физический уровень обеспечивает физический путь для электрических сигналов, несущих информацию. Этот уровень характеризует параметры физической среды передачи данных. Физический уровень определяет характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, типы разъемов и назначение каждого контакта. Как правило, функции физического уровня реализуются сетевым адаптером или портом.

В вычислительных сетях, как правило, применяются наборы протоколов, а не все функциональные уровни модели взаимодействия открытых систем. Набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия оборудования в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Наиболее популярными являются стеки протоколов: TCP/IP, IPX/SPX, NetBEUI/NetBIOS, и другие. Эти стеки протоколов на физическом и канальном уровнях используют стандартизованные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и некоторые другие, которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру. На верхних уровнях все стеки работают со своими собственными протоколами.

Базовые технологии локальных сетей

Архитектуры или технологии локальных сетей можно разделить на два поколения. К первому поколению относятся архитектуры, обеспечивающие низкую и среднюю скорость передачи информации: Ethernet 10 Мбит/с), Token Ring (16 Мбит/с) и ARC net (2,5 Мбит/с).

Для передачи данных эти технологии используют кабели с медной жилой. Ко второму поколению технологий относятся современные высокоскоростные архитектуры: FDDI (100 Мбит/с), АТМ (155 Мбит/с) и модернизированные версии архитектур первого поколения (Ethernet): Fast Ethernet (100 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с).

Усовершенствованные варианты архитектур первого поколения рассчитаны как на применение кабелей с медными жилами, так и на волоконно-оптические линии передачи данных.

Новые технологии (FDDI и ATM) ориентированы на применение волоконно-оптических линий передачи данных и могут использоваться для одновременной передачи информации различных типов (видеоизображения, голоса и данных).

Сетевая технология - это минимальный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств, достаточный для построения вычислительной сети. Сетевые технологии называют базовыми технологиями. В настоящее время насчитывается огромное количество сетей, имеющих различные уровни стандартизации, но широкое распространение получили такие известные технологии, как Ethernet, Token-Ring, Arcnet, FDDI.

Методы доступа к сети

Ethernet является методом множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (конфликтов). Перед началом передачи каждая рабочая станция определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, станция начинает передачу данных. Реально конфликты приводят к снижению быстродействия сети только в том случае, когда работают 80-100 станций.

Метод доступа Arcnet. Этот метод доступа получил широкое распространение в основном благодаря тому, что оборудование Arcnet дешевле, чем оборудование Ethernet или Token -Ring. Arcnet используется в локальных сетях с топологией «звезда».

Один из компьютеров создает специальный маркер (специальное сообщение), который последовательно передается от одного компьютера к другому. Если станция должна передать сообщение, она, получив маркер, формирует пакет, дополненный адресами отправителя и назначения. Когда пакет доходит до станции назначения, сообщение «отцепляется» от маркера и передается станции.

Метод доступа Token Ring. Этот метод разработан фирмой IBM; он рассчитан па кольцевую топологию сети. Данный метод напоминает Arcnet, так как тоже использует маркер, передаваемый от одной станции к другой. В отличие от Arcnet при методе доступа Token Ring предусмотрена возможность назначать разные приоритеты разным рабочим станциям.

Базовые технологии ЛВС

Технология Ethernet сейчас наиболее популярна в мире. В классической сети Ethernet применяется стандартный коаксиальный кабель двух видов (толстый и тонкий). Однако все большее распространение получила версия Ethernet, использующая в качестве среды передачи витые пары, так как монтаж и обслуживание их гораздо проще. Применяются топологии типа “шина” и типа “пассивная звезда”.

Стандарт определяет четыре основных типа среды передачи.

10BASE5 (толстый коаксиальный кабель);

10BASE2 (тонкий коаксиальный кабель);

10BASE-T (витая пара);

10BASE-F (оптоволоконный кабель).

Fast Ethernet - высокоскоростная разновидность сети Ethernet, обеспечивающая скорость передачи 100 Мбит/с. Сети Fast Ethernet совместимы с сетями, выполненными по стандарту Ethernet. Основная топология сети Fast Ethernet - пассивная звезда.

Стандарт определяет три типа среды передачи для Fast Ethernet:

100BASE-T4 (счетверенная витая пара);

100BASE-TX (сдвоенная витая пара);

100BASE-FX (оптоволоконный кабель).

Gigabit Ethernet - высокоскоростная разновидность сети Ethernet, обеспечивающая скорость передачи 1000 Мбит/с. Стандарт сети Gigabit Ethernet в настоящее время включает в себя следующие типы среды передачи:

1000BASE-SX - сегмент на мультимодовом оптоволоконном кабеле с длиной волны светового сигнала 850 нм.

1000BASE-LX - сегмент на мультимодовом и одномодовом оптоволоконном кабеле с длиной волны светового сигнала 1300 нм.

1000BASE-CX - сегмент на электрическом кабеле (экранированная витая пара).

1000BASE-T - сегмент на электрическом кабеле (счетверенная неэкранированная витая пара).

В связи с тем, что сети совместимы, легко и просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в единую сеть.

Сеть Token-Ring предложена фирмой IBM. Token-Ring предназначалась для объединение в сеть всех типов компьютеров, выпускаемых IBM (от персональных до больших). Сеть Token-Ring имеет звездно-кольцевую топологию.

Сеть Arcnet - это одна из старейших сетей. В качестве топологии сеть Arcnet использует “шину” и “пассивную звезду”. Сеть Arcnet пользовалась большой популярностью. Среди основных достоинств сети Arcnet можно назвать высокую надежность, низкую стоимость адаптеров и гибкость. Основным недостаткам сети является низкая скорость передачи информации (2,5 Мбит/с).

FDDI (Fiber Distributed Data Interface) - стандартизованная спецификация для сетевой архитектуры высокоскоростной передачи данных по оптоволоконным линиям. Скорость передачи - 100 Мбит/с.

Основные технические характеристики сети FDDI следующие:

Максимальное количество абонентов сети - 1000.

Максимальная протяженность кольца сети - 20 км

Максимальное расстояние между абонентами сети - 2 км.

Среда передачи - оптоволоконный кабель

Meтод доступа - маркерный.

Скорость передачи информации - 100 Мбит/с.

Способы построения локальных сетей

Компьютерная сеть - это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов.

Компьютерную сеть можно представить многослойной моделью, состоящей из слоев:

компьютеры;

коммуникационное оборудование;

операционные системы;

сетевые приложения.

Компьютеры

Основой любой локальной сети являются ПК, которые подключаются к сети с помощью сетевой карты. Все компьютеры локальных сетей можно разделить на два класса: серверы и рабочие станции.

Коммуникационное оборудование

Сетевой адаптер - это специальное устройство, которое предназначено для сопряжения компьютера с локальной сетью и для организации двунаправленного обмена данными в сети. Сетевая карта вставляется в свободный слот расширения на материнской плате и оборудована собственным процессором и памятью, а для подключения к сети имеет разъем типа RJ-45. Наиболее распространены карты типа PCI, которые вставляются в слот расширения PCI на материнской плате. В зависимости от применяемой технологии Ethernet, Fast Ethernet или Gigabit Ethernet и сетевой карты скорость передачи данных в сети может быть: 10, 100 или 1000 Мбит/с.

Сетевые кабели

В качестве кабелей соединяющих отдельные ПК и коммуникационное оборудование в локальных сетях применяются:

1. Витая пара - передающая линия связи, которая представляет собой два провода, перекрученных друг с другом с определенным шагом с целью снижения влияния электромагнитных полей.

2. Коаксиальный кабель - кабель, который состоит из одного центрального проводника в изоляторе и второго проводника расположенного поверх изолятора.

3. Оптический кабель - это кабель, в котором носителем информации является световой луч, распространяющийся по оптическому волокну.

Кроме того, в качестве передающей среды в беспроводных локальных сетях используются радиоволны в микроволновом диапазоне.

К коммуникационному оборудованию локальных сетей относятся: трансиверы, повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

Часть оборудования (приемопередатчики или трансиверы, повторители или репитеры и концентраторы или hubs) служит для объединения нескольких компьютеров в требуемую конфигурацию сети. Соединенные с концентратором ПК образуют один сегмент локальной сети, т.е. концентраторы являются средством физической структуризации сети, так как, разбивая сеть на сегменты, упрощают подключение к сети большого числа ПК.

Другая часть оборудования (мосты, коммутаторы) предназначены для логической структуризации сети. Так как локальные сети являются широковещательными (Ethernet и Token Ring), то с увеличением количества компьютеров в сети, построенной на основе концентраторов, увеличивается время задержки доступа компьютеров к сети и возникновению коллизий. Поэтому в сетях построенных на хабах устанавливают мосты или коммутаторы между каждыми тремя или четырьмя концентраторами, т.е. осуществляют логическую структуризацию сети с целью недопущения коллизий.

Третья часть оборудования предназначена для объединения нескольких локальных сетей в единую сеть: маршрутизаторы (routers), шлюзы (gateways). К этой части оборудования можно отнести и мосты (bridges), а также коммутаторы (switches).

Повторители (repeater) - устройства для восстановления и усиления сигналов в сети, служащие для увеличения ее длины.

Приемопередатчики (трансиверы) - это устройства, предназначенные для приема пакетов от контроллера рабочих станций сети и передачи их в сеть. Трансиверы (конверторы) могут преобразовывать электрические сигналы в другие виды сигналов (оптические или радиосигналы) с целью использования других сред передачи информации.

Концентраторы или хабы (Hub) - устройства множественного доступа, которые объединяет в одной точке отдельные физические отрезки кабеля, образуют общую среду передачи данных или сегменты сети, т.е. хабы используются для создания сегментов и являются средством физической структуризации сети.

Мосты (bridges) - это программно - аппаратные устройства, которые обеспечивают соединение нескольких локальных сетей между собой. Мосты предназначены для логической структуризации сети или для соединения в основном идентичных сетей, имеющих некоторые физические различия.

Коммутаторы (switches) - программно - аппаратные устройства являются быстродействующим аналогом мостов, которые делят общую среду передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем объединения нескольких физических сегментов с помощью одного или нескольких концентраторов. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту коммутатора. При поступлении данных с компьютера - отправителя на какой-либо из портов коммутатор передаст эти данные, но не на все порты, как в концентраторе, а только на тот порт, к которому подключен сегмент, содержащий компьютер - получатель данных.

Маршрутизаторы (routers). Эти устройства обеспечивают выбор маршрута передачи данных между несколькими сетями, имеющими различную архитектуру или протоколы. Они обеспечивают сложный уровень сервиса, так как могут выполнять “интеллектуальные” функции: выбор наилучшего маршрута для передачи сообщения, адресованного другой сети; защиту данных; буферизацию передаваемых данных; различные протокольные преобразования. Маршрутизаторы применяют только для связи однородных сетей.

Шлюзы (gateway) - устройства (компьютер), служащие для объединения разнородных сетей с различными протоколами обмена. Шлюзы выполняют протокольное преобразование для сети, в частности преобразование сообщения из одного формата в другой.

Эффективность функционирования ЛВС определяется параметрами, выбранными при конфигурировании сети. Конфигурация сети базируется на существующих технологиях и мировом опыте, а также на принятых во всем мире стандартах построения ЛВС и определяется требованиями, предъявляемыми к ней, а также финансовыми возможностями организаций.

Исходя из существующих условий и требований, в каждом отдельном случае выбирается топология сети, кабельная структура, коммуникационное оборудование, протоколы и методы передачи данных, способы организации взаимодействия устройств, сетевая операционная система.

2. Особенности проектирования контроллеров систем ввода-вывода аналоговой информации

Аналоговый сигнал представляет собой непрерывный во времени и по амплитуде процесс, а его цифровое представление есть последовательность или ряд чисел, состоящих из конечного числа бит. Поэтому преобразование аналогового сигнала в цифровой состоит из двух этапов: дискретизации по времени и квантовании по амплитуде. Дискретизация по времени означает, что сигнал представляется рядом своих отсчётов (дискретов) непрерывных по амплитуде и взятых через равные промежутки времени (в некоторых специальных случаях может применяться и неравномерная по времени дискретизация, например при оцифровке узкополосных сигналов).

Основной вопрос на первом этапе преобразования аналогового сигнала в цифровой (оцифровки) состоит в выборе частоты дискретизации аналогового процесса. Ответ на него даёт известная теорема Найквиста, утверждающая, что для того чтобы аналоговый (непрерывный по времени) сигнал занимающий полосу частот от 0 Гц до F Гц можно было абсолютно точно восстановить по его отсчётам, частота дискретизации должна быть не меньше 2*F Гц или отсчёты сигнала должны браться не реже чем через 1/(2*F) секунды. Таким образом, если реальный аналоговый сигнал, который необходимо преобразовать в цифровую форму содержит частотные компоненты от 0 Гц до 20 кГц, то частота дискретизации такого сигнала должна быть не меньше чем 40 кГц. Если же необходимо дискретизировать сигнал с полосой больше, чем частота дискретизации делённая на 2, то предварительно необходимо с помощью аналогового фильтра низких частот подавить ту высокочастотную “часть” сигнала, спектральные компоненты которой находятся выше по частоте, чем частота дискретизации делённая на два. интерфейс компьютер сеть маршрутизатор

Частотный спектр дискретизированного сигнала такой же по форме, как и спектр аналогового (непрерывного) сигнала и повторяется на частотах, кратных частоте дискретизации. Например, если аналоговый сигнал занимает полосу 0..20 кГц и дискретизирован с частотой 50 кГц, то копии спектра (alias или алиазинг) появятся на частотах 30..70 кГц, 80..120 кГц и т.д. Для точного восстановления непрерывного аналогового сигнала по его дискретным отсчётам алиазинговые спектры не должны искажать (накладываться) друг друга, из чего и следует требование дискретизации сигнала на частоте равной удвоенной полосе аналогового сигнала.

Аналого-цифровое преобразование по существу является операцией, устанавливающей отношение двух величин. Входной аналоговый сигнал vi преобразуется в дробь x путем сопоставления его значения с уровнем опорного сигнала Vr. Цифровой сигнал преобразователя есть кодовое представление этой дроби.. Если выходной код преобразователя является n-разрядным, то число дискретных выходных уровней равно 2. Для взаимно-однозначного соответствия диапазон изменения входного сигнала должен быть разбит на такое же число уровней. Каждый квант (величина интервала) такого разбиения представляет собой значение аналоговой величины, на которое отличаются уровни входного сигнала, представляемые двумя соседними кодовыми комбинациями. Этот квант называют также величиной младшего значащего разряда (МЗР). Таким образом,

Q = МЗР ПД/2,

Где Q -- квант, МЗР -- аналоговый эквивалент МЗР и ПД -- полный диапазон изменения входного аналогового сигнала.

Реальные аналоговые сигналы содержат компоненты (полезные и помехи), имеющие частотные составляющие, расположенные выше по частоте, чем часто применяемые на практике частоты дискретизации 44.1 кГц или 48.0 кГц делённые на два. Поэтому перед дискретизацией необходима аналоговая фильтрация, представляющая собой довольно сложную задачу. Аналоговые фильтры не могут пропустить, все частоты от 0 Гц до 24 кГц и подавить все частоты выше 24 кГц. Любой аналоговый фильтр имеет ненулевую переходную от пропускания к подавлению область и, следовательно, вместе с “вредными” компонентами будут подавлены и полезные сигналы из области частот ниже 24 кГц. Кроме того, ещё одна проблема состоит в том, что чем уже необходимо сделать переходную область между полосой пропускания и полосой подавления, тем сильнее вносимые фазовые искажения, длиннее переходный процесс (фильтр начинает “звенеть”) и тем сложнее и капризнее в настройке такой аналоговый фильтр.

В современных АЦП эта проблема решается методом «Oversampling». По этому методу диапазон частот входного аналоговый сигнала ограничивается с помощью сравнительно несложного аналогового фильтра. Причём частота среза фильтра выбирается значительно выше высшей полезной частоты, а переходная полоса фильтра делается достаточно широкой. Таким образом, исключаются и завал “полезных” высших частот, и фазовые искажения характерные для аналоговых фильтров с узкой переходной полосой. Далее отфильтрованный, с ограниченным по частоте спектром сигнал дискретизируется на достаточно высокой частоте, исключающей наложение и искажение спектра (алиазинг). Затем дискретные отсчёты сигнала преобразуются в последовательность чисел с помощью АЦП. После этого получается поток цифровых данных, представляющих аналоговый сигнал, включая и нежелательные высокочастотные компоненты и помехи. Эти цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр с очень узкой переходной полосой и очень большим подавлением нежелательных высокочастотных компонент.

В настоящее время расчёт и создание таких цифровых фильтров, к тому же не вносящих никаких фазовых искажений, не представляет больших трудностей. После цифрового фильтра получается цифровое представление сигнала, имеющего спектр, правильно ограниченный по частоте. Применяя к такому сигналу теорему Найквиста, можно резко понизить частоту его дискретизации до удвоенной величины наивысшей полезной частотной составляющей.

Часто цифровые фильтры находятся в том же корпусе (микросхеме), что и другие узлы АЦП. Применяется Oversampling и в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП). В ЦАП также есть проблема сложности аналоговых восстанавливающих (интерполирующих) фильтров. Ведь сразу после ЦАП сигнал представляет собой серию дискретных импульсов имеющих многочисленные алиазинговые спектральные компоненты. На аналоговый фильтр в этом случае возлагается задача полностью пропустить сигнал нужного частотного диапазона (0..24 кГц) и, по возможности, наиболее полно подавить ненужные высокочастотные компоненты. И конечно, чисто аналоговому фильтру выполнить такие противоречивые требования очень сложно. Поэтому сначала цифровой сигнал интерполируют, т.е. вставляют дополнительные отсчёты, вычисленные по специальным алгоритмам и, тем самым резко увеличивают частоту дискретизации. При этом исходный спектр полезного сигнала не искажается, но сигнал уже дискретизирован на значительно более высокой частоте. Это приводит к тому, что алиазинговые спектральные компоненты на выходе ЦАП далеко отстоят от частотных компонент основного сигнала и, соответственно, чтобы отфильтровать (подавить) их достаточно применить простой аналоговый фильтр.

3. АЦП с динамической компенсацией и следящий АЦП

В АЦП используется счетчик импульсов, который в процессе счета обеспечивает постепенное нарастание выходного сигнала связанного с ним ЦАП, пока этот сигнал не превысит уровень входного сигнала. Счетчик сбрасывается перед началом каждого преобразования и затем увеличивает свое содержимое на 1 при прохождении каждого тактового импульса. Выходной сигнал ЦАП при каждом единичном изменении состояния счетчика возрастает на величину МЗР. Компаратор останавливает счетчик, когда выходное напряжение ЦАП достигает уровня входного сигнала. Выходной сигнал (состояние) счетчика в этот момент как раз и является цифровым выходным сигналом АЦП. Главный недостаток этого простого способа аналого-цифрового преобразования -- зависимость времени преобразования от уровня входного сигнала, причем это время может быть к тому же довольно велико (2 периодов тактовых импульсов для n-разрядного преобразователя в случае входного сигнала, близкого по уровню к величине полного диапазона).

В модифицированном варианте АЦП с динамической компенсацией -- так называемом «следящем» АЦП (или «серво-АЦП») -- используется реверсивный счетчик, позволяющий ЦАП непрерывно отслеживать входной сигнал при условии, что изменения входного сигнала невелики. Останавливая счетчик подачей внешнего воздействия в нужный момент времени, мы можем использовать следящий АЦП в качестве УВХ с цифровым выходом и сколь угодно большим временем хранения. Допуская возможность счета или только в прямом, или только в обратном направлении, можно с помощью этого АЦП получать цифровой выходной сигнал, соответствующий максимальному или минимальному значению входного сигнала в данном временном интервале.

4. АЦП последовательного приближения

Метод последовательного приближения -- наиболее распространенный способ реализации функции аналого-цифрового преобразования в преобразователях со средним и высоким быстродействием. В структуру АЦП последовательного приближения также входит ЦАП. Однако в отличие от АЦП с динамической компенсацией в АЦП последовательного приближения выходной сигнал ЦАП нарастает до уровня входного сигнала точно за n тактов (для n-разрядного преобразователя). В результате процесс преобразования занимает гораздо меньше времени, и, кроме того, время преобразования не зависит от уровня входного сигнала. Данный метод основан на аппроксимации входного сигнала двоичным кодом и последующей проверке правильности этой аппроксимации для каждого разряда кода, пока не достигается наилучшее приближение к величине входного сигнала. На каждом этапе этого процесса двоичное представление текущего приближения хранится в так называемом регистре последовательного приближения (РПП).

Это соответствует первоначальной оценке величины входного сигнала половиной величины полного диапазона (полной шкалы). Компаратор сравнивает выходной сигнал ЦАП с входным напряжением и выдает контроллеру команду на сброс СЗР, если эта первоначальная оценка превышает величину входного сигнала; в противном случае остается установленное значение СЗР. В следующем такте котроллер устанавливает в единичное значение следующий (по старшинству) разряд, и снова, исходя из уровня входного сигнала, компаратор «решает», сбрасывать или оставлять установку этого разряда. Преобразование продолжается аналогичным образом, пока не будет проверен последний МЗР. В этот момент содержимое РПП и выходного регистра является наилучшим двоичным приближением входного сигнала -- это и есть выходной цифровой сигнал (слово) АЦП. Поскольку в процессе последовательного приближения установка значений разрядов выполняется в последовательном порядке, то в АЦП этого типа исключительно просто обеспечивается последовательный вывод данных. Обратим внимание, что предполагалось постоянство уровня входного сигнала в процессе преобразования.

На рис. 5.6 показана базовая функциональная схема 3-разрядного АЦП последовательного приближения с иллюстрацией принципа ее работы. Преобразование всегда начинается с установки единичного значения СЗР в РПП.

5. Двухтактный интегрирующий АЦП

На рис. 5.7 иллюстрируется метод двухтактного (или двойного) интегрирования. Входное напряжение интегрируется в течение фиксированного интервала времени Т1, который, как правило, соответствует временной реализации всей счетной последовательности внутреннего счетчика. В конце этого интервала счетчик сбрасывается, а вход интегратора переключается на источник опорного сигнала. Выходное напряжение интегратора теперь уменьшается по линейному закону, пока не достигается его нулевое значение, где счетчик останавливается и интегратор устанавливается в исходное состояние. Заряд, накопленный интегрирующим конденсатором в течение первого интервала, должен быть равен заряду, потерянному им в течение второго интервала; значит,

Отсюда следует

Заметим, что отношение временных интервалов является одновременно отношением содержимого счетчика к числовому выражению полного диапазона счета. Другими словами, состояние счетчика в конце интервала t2 представляет собой выходное слово на двоичном выходе АЦП, Рассмотренная схема преобразования легко модифицируется для АЦП, использующих другие выходные коды.

Метод двухтактного интегрирования обеспечивает ряд преимуществ, главное из которых -- отличные шумовые характеристики.

Поскольку входное напряжение интегрируется в течение некоторого промежутка времени, любые высокочастотные шумы, накладывающиеся на входной сигнал, при интегрировании компенсируются. Кроме того, фиксированный временной интервал Т1 можно выбрать таким, чтобы почти полностью исключить помехи с частотами, кратными 1/Т1. Для этой цели обычно выбирается временной интервал, определяемый частотой бытовой сети.

Следует отметить, что вариации частоты синхронизации не влияют на разрешение. Разрешение преобразователя ограничено только возможностями входящих в него аналоговых схем, а не дифференциальной нелинейностью, так как выходной сигнал интегратора непрерывен и не может приводить к появлению каких-либо выпадающих кодовых комбинаций на выходе преобразователя. Поэтому довольно просто получить хорошее разрешение и варьировать его путем изменения разрядности внутреннего счетчика и частоты синхронизации.

Главный недостаток двухтактного интегрирующего АЦП -- низкое быстродействие. Например, если Т1 выбирается из условия ослабления сетевых наводок с частотой 60Гц и их гармоник, то минимальное возможное значение Т1 будет равно 16,67 мс. Поскольку время преобразования может вдвое превышать эту величину, то производительность преобразователя ограничена 30 отсчетами в секунду; такая производительность слишком мала для любой быстродействующей системы сбора данных. Двухтактные интегрирующие преобразователи широко используются в измерительных устройствах с отображением информации на цифровых индикаторных панелях, в цифровых мультиметрах и термометрах и в других аналогичных устройствах, где допустима низкая скорость отсчетов.

6. АЦП с преобразованием напряжения в частоту

На рис. 5.8 представлена схема метода аналого-цифрового преобразования с использованием преобразования напряжения в частоту. Аналоговое входное напряжение преобразуется с помощью прецизионного преобразователя напряжение -- частота (ПНЧ) в последовательность импульсов, частота которых пропорциональна величине этого напряжения. Затем счетчик формирует выходное цифровое слово путем подсчета этих импульсов в течение фиксированного интервала времени. Заметим, что входной сигнал эффективно интегрируется в этом интервале. Как и метод двухтактного интегрирования, данный метод преобразования характеризуется низким быстродействием, но хорошей помехоустойчивостью.

Если приемлемо большое время преобразования, метод преобразования напряжение -- частота позволяет получить высокое разрешение для медленно изменяющихся сигналов при очень низкой стоимости. Например, при подсчете импульсов ПНЧ с частотой 10 кГц в течение 1 с обеспечивается точность 10-5 (т. е. лучшая, чем при 13-разрядном разрешении). Более того, эта точность сохраняется в широком диапазоне изменения величины входного сигнала. Громадные преимущества использования преобразования напряжение -- частота очевидны для систем дистанционного считывания данных в условиях внешних помех. В таких применениях ПНЧ располагается в непосредственной близости к удаленному измерительному преобразователю. Последовательность импульсов, вырабатываемых ПНЧ, в цифровой форме передается на большие расстояния к станции контроля, где приемно-счетное устройство преобразует эту последовательность в цифровой выходной сигнал. Тем самым исключается передача аналогового сигнала по подверженным внешним помехам линиям передачи и возможное при такой передаче ухудшение отношения сигнал/шум. Передача данных в цифровой форме исключает также синфазные помехи. При необходимости может быть обеспечена гальваническая развязка выхода преобразователя с датчиком; это требуется при осуществлении контроля и управления в высоковольтных системах.

Практическая эффективность использования данного метода аналого-цифрового преобразования зависит от наличия дешевых ПНЧ с хорошей линейностью и стабильностью. Имеется несколько методов реализации функции преобразования напряжения в частоту. Наиболее известный из них -- метод зарядового уравновешивания, который обсуждался в разд. 1.9, где были также описаны некоторые ПНЧ, имеющиеся в продаже.

7. АЦП параллельного, или мгновенного, преобразования

Метод мгновенного, или параллельного, преобразования иллюстрируется на рис. 5.9. Он используется в тех случаях, когда требуется очень высокая скорость преобразования, например в видеотехнике, радиолокации, в цифровых осциллографах. В этом методе входной сигнал сравнивается одновременно со всеми пороговыми уровнями с помощью компараторов, смещенных по уровню опорного сигнала на 1 МЗР относительно друг друга. Смещение в преобразователе обеспечивается путем использования генератора опорного сигнала и прецизионной резистивной схемы. При подаче аналогового сигнала на вход АЦП компараторы, смещенные выше уровня входного сигнала, имеют на выходе логический 0, а смещенные ниже этого уровня -- логическую 1. Так как все компараторы изменяют свое состояние одновременно, процесс квантования осуществляется за один шаг. Быстродействующий шифратор затем преобразует выходные сигналы компараторов в выходной сигнал всего АЦП. Скорость преобразования в этом случае достигает 100МГц при 8-разрядном разрешении. Однако разрешение монолитных параллельных преобразователей ограничено из-за большого числа требуемых компараторов (255 для 8-разрядного АЦП).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Программная реализация аналого-цифрового преобразования

Такие функции, как счет, сдвиг, инвертирование, преобразование кодов и некоторые другие реализуются с помощью программных средств самого микропроцессора. Иногда используется такая программная реализация аналого-цифрового преобразования. Однако ее практическая ценность невелика, поскольку имеется очень большой выбор дешевых АЦП с хорошими рабочими характеристиками.

8. Устройства для ввода и вывода звуковой информации (звуковые адаптеры)

Звук - это колебания (волны), распространяющиеся в воздухе или другой среде от источника колебаний во всех направлениях. Когда волны достигают уха, расположенные в нем чувствительные элементы воспринимают эту вибрацию и человек слышит звук.

Каждый звук характеризуется частотой и интенсивностью (громкостью).

Частота - это количество звуковых колебаний в секунду; она измеряется в герцах (Гц). Один цикл (период) - это одно движение источника колебания (туда и обратно). Чем выше частота, тем выше тон.

Человеческое ухо воспринимает лишь небольшой диапазон частот. Очень немногие слышат звуки ниже 16 Гц и выше 20 кГц (1 кГц = 1 000 Гц). Частота звука самой низкой ноты на рояле равна 27 Гц, а самой высокой -- чуть больше 4 кГц. Наивысшая звуковая частота, которую могут передать радиовещательные FM-станции, -- 15 кГц.

Громкость звука определяется амплитудой колебаний. Амплитуда звуковых колебаний зависит в первую очередь от мощности источника звука. Например, струна пианино при слабом ударе по клавише звучит тихо, поскольку диапазон ее колебаний невелик. Если же ударить по клавише посильнее, то амплитуда колебаний струны увеличится. Громкость звука измеряется в децибелах (дБ). Шорох листьев, например, имеет громкость около 20 дБ, обычный уличный шум -- около 70 дБ, а близкий удар грома -- 120 дБ.

В настоящее время звуковые устройства стали неотъемлемой частью каждого персонального компьютера. В процессе конкурентной борьбы был выработан универсальный, широко поддерживаемый стандарт звукового программного и аппаратного обеспечения. Звуковые устройства превратились из дорогих экзотических дополнений в привычную часть системы практически любой конфигурации.

Системы мультимедиа начинались со звука, который воспринимается независимо от изображения, не наносит ущерба восприятию выводимой на экран информации, а при хорошем качестве даже дополняет ее и повышает восприимчивость пользователя, оказывает сильное психологическое воздействие на оператора, создает настроение. Звуковое сопровождение служит дополнительным способом передачи информации об основном и фоновом процессах, например, воспроизведение речи дает представление об индивидуальности говорящего, помогает разобраться в произношении слов.

Но звуковая (аудио или акустическая) информация имеет и самостоятельное значение.

Выделяют направления в использовании звуковых возможностей систем мультимедиа:

1. бытовые системы мультимедиа используют звуковые возможности ПЭВМ в обучающих, развивающих программах (обучение чтению, произношению, музыке); в энциклопедиях и справочниках (бытовых: медицина, расписания движения автобусов, поездов, самолетов, прогноз погоды, репертуар театров и др.). В бытовых системах использование таких музыкальных редакторов, как Skream Tracker, позволяет перейти на качественно новый уровень использования аудиосистем - от пассивного восприятия музыки к активной работе с музыкальными произведениями без музыкального образования; к реализации цветомузыки на экране ПЭВМ;

2. мультимедиа бизнес-приложения используют звук в следующих целях: тренинг (профессиональные обучающие системы: иностранному языку, распознаванию голосов птиц, распознаванию шумов в сердце и других органах, при обучении радиотелеграфистов); презентации (т.е. демонстрация товара с помощью ЭВМ); проведение озвученных видео- и телеконференций; голосовая почта; автоматическое стенографирование (восприятие речи и перевод ее в текстовый вид); использование голоса пользователя в целях защиты (электронные замки, доступ к программному обеспечению и информации в ЭВМ, к банковским сейфам и др.);

3. профессиональные мультимедиа системы - это средства производства озвученных видеофильмов, домашние музыкальные студии (музыкальные редакторы типа Skream Tracker, Whacker Tracker и др. позволяют наиграть мелодию, выполнить программную ее обработку (изменить высоту тона, длительность звучания, тип инструмента, скорость нажатия-отпускания клавиши, синтезировать звуковые эффекты, воспроизвести или записать на стандартную звукозаписывающую аппаратуру).

Цифровое представление звуковых сигналов

Исходная форма звукового сигнала - непрерывное изменение амплитуды во времени - представляется в цифровой форме с помощью перекрестной дискретизации по времени и по уровню. Одновременно с временной дискретизацией выполняется амплитудная - измерение мгновенных значений амплитуды и их представление в виде числовых величин. Полученный поток чисел (серии двоичных чисел) называют импульсно-кодовой модуляцией - PCM

Устройство звуковой карты

Line in, Mic in - линейный и микрофонный входы; Aux: сигнал с этого входа минует все устройства и сразу идет на выход; CD in используется для CD-ROM (У всех разъем mini-Jack).

На задней панели платы есть 15-пиновый разъем midi/джойстик порта, используется для подключения синтезаторов, клавиатур или джойстика.

Все сигналы с внешних аудиоустройств поступают во входной микшер, он служит для усиления.

АЦП - замеряет амплитуду поступающего сигнала и кодирует соотношения.

ЦАП - заменяет коды, преобразует в аналоговый сигнал.

DSP-сигнальный процессор управляет обменом данных со всеми остальными устройствами компьютера через шину ISA или PCI

Синтезатор - имитация музыкальных инструментов.

FM (Frequency Modulation - частотная модуляция) синтезатор для сохранения совместимости с Sound Blaster.

Wave Table-синтезатор для получения качественного звука.

RAM - оперативная память используется для загрузки звука

ROM - постоянная память, в ней хранятся образцы звучания

Основные форматы

1) MIDI (Musical Instrument Digital Interface) (30-150 Кб). Позволяет задействовать ресурсы процессора и памяти компьютера.

2) WAV (30-50 Мб). Представление звука в том виде, какой он есть - в виде цифрового представления исходного звукового колебания или звуковой волны. Позволяет работать со звуками любого вида, любой формы и длительности.

3) Mp3 - самая сложная схема из семейства Mpeg - требует больше затрат времени на кодирование и более высокое качество звука. Самый распространенный формат хранения музыки.

Устройства вывода звуковой информации

1. Колонки - служат для прослушивания музыки и звуков. Бывают разных размеров и мощности. Самый простой вариант - 2 колонки, но бывают комплекты состоящие из большего количества колонок.

Колонка - акустическая система -- устройство для воспроизведения звука. Преобразователь электрического сигнала в звуковое давление. Акустическая система бывает однополосной (один широкополосный излучатель, например, динамическая головка) и многополосной (две и более головок, каждая из которых создаёт звуковое давление в своей частотной полосе).

Хорошие колонки имеют магнитный экран или улучшенную конструкцию магнитной системы.

Существует два вида колонок:

- активные (встроенный усилитель, требуют дополнительных источников питания, регулятор громкости и тембра);

- пассивные (маленькая мощность).

2. Динамик ПК - простейшее устройство воспроизведения звука, применявшееся в IBM PC и совместимых ПК. Звучит довольно грубо и может раздражать некоторых пользователей. До появления недорогих звуковых плат динамик являлся основным устройством воспроизведения звука.

Благодаря низкому качеству и примитивности звуков, воспроизводимых устройством, оно получило ряд кличек -- PC squeaker и PC beeper в английском языке; «скрипер», «хрипер», «хрюкер» и т. п. в русском.

В настоящее время PC speaker остаётся штатным устройством IBM PC-совместимых компьютеров, и в основном используется для подачи сигналов об ошибках, в частности при проведении POST. Некоторые программы можно настроить на вывод звуковых сигналов через динамик.

Имеются два способа управления динамиком:

- программируемый таймер, генерирующий прямоугольную звуковую волну заданной частоты без участия центрального процессора. Это позволяет проигрывать простые одноголосые звуковые сигналы. Если программа зависала во время проигрывания звука, таймер продолжал работать, выдавая одну ноту, пока компьютер не перезагрузят;

- прямое управление мембраной через порт 61h с дискретностью в 1 бит. Подавая с большой частотой то 0, то 1, с помощью широтно-импульсной модуляции можно синтезировать низкокачественный оцифрованный звук -- правда, за счёт существенного использования ресурсов процессора. Все подобные программы не работают в многозадачных операционных системах.

3. Наушники. Классификация наушников:

1. По способу передачи звука:

- проводные -- соединены с источником проводом, поэтому могут обеспечить максимальное качество звука (соответственно, имеющие профессиональную направленность наушники относятся исключительно к этому типу);

- беспроводные -- соединены с источником посредством беспроводного канала, того или иного типа -- радио, инфракрасным, Bluetooth. Мобильны, но имеют привязанность к базе (излучателю) и ограниченный радиус действия, определяемый мощностью излучателя. Обладают более низким качеством звука по сравнению с проводными, в силу процесса модуляции при кодировании-декодировании, необходимых при передаче сигнала от излучателя к приёмнику в наушниках.

2. По типу конструкции (виду):

вставные («вкладыши») -- вставляются в ушную раковину;

внутриканальные -- вставляются в ушной канал;

накладные -- накладываются на ухо;

полноразмерные или мониторные -- полностью обхватывают ухо.

3. По типу крепления:

оголовье -- наушники с вертикальной дужкой, которая соединяет 2чашечки наушников;

затылочная дужка -- соединяет 2 части наушников, но располагается на затылке. Основная механическая нагрузка направлена на уши;

крепления на ушах -- обычно наушники такого типа закрепляются на ушах с помощью заушины или клипс;

без креплений -- они держатся только за счет амбушюров, которые находятся в ушном проходе.

4. По способу подключения кабеля:

двухсторонние -- соединительный кабель подводится к каждой из чашек наушников; односторонние -- соединительный кабель подводится только к одной из чашек наушников, вторая подключается отводом провода от первой, зачастую тот спрятан в дужке.

5. По конструкции излучателя:

динамические -- используют электродинамический принцип преобразования. Самый распространённый тип наушников. Конструктивно наушник представляет собой излучатель или мембрану, к которой прикреплена катушка с проводом, находящаяся в магнитном поле постоянного магнита. Если через нее пустить переменный ток, то магнитное поле, создаваемое катушкой, будет взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита, в результате чего мембрана будет двигаться, повторяя форму электрического сигнала звуковой частоты.

С уравновешенным якорем -- основной деталью является П-образный якорь из ферромагнитного сплава;

электростатические -- используют тончайшую мембрану, расположенную между двумя электродами. Стоимость таких наушников обычно высока, однако они демонстрируют очень высокую чувствительность и высокую верность воспроизводимого звука. Недостаток - их нельзя напрямую подключить к стандартному выходу на наушники, поэтому к ним в комплекте идёт специальная док-станция;

изодинамические -- тонкая плёночная мембрана, с нанесёнными на неё металлическими токопроводящими дорожками, заключена в решетку из стержневых магнитов и колеблется между ними;

...