2 конверторы энергии сигналов
2.1 Акусто -электрические и электроакустические конверторы
Акустика - раздел физики о звуке до 10 13 Гц (распространение упругих волн в различных средах). Виды: электро, гидро, психологическая, физиологическая, строительная, архитектурная ... Конверторы акустические преобразуют электрическую энергию в акустическую (энергию упругих колебаний) и обратно, обеспечивая излучение и прием звука. Наиболее распространенные преобразователи: угольные (простые, дешёвые), электродинамические, пьезоэлектрические, магнитострикционные, конденсаторные, ленточные, 3D-экраны. По назначению различают микрофоны и динамики, встроенные и внешние, бытовые, мультимедийные, коллективные и профессиональные. Основные параметры: диапазон частот, максимальная мощность, чувствительность, диаграмма направленности, форм-фактор, стоимость.
Простейшие преобразователи звуковых сообщений представляют собой угольный микрофон - металлическую коробочку с порошком и изолированной мембраной. Основными характеристиками речевого сигнала являются разборчивость, громкость и натуральность восприятия речи на приемном конце - телефоне, состоящем из магнита с двумя катушками и мембраной с пружинами на полюсах. Разборчивость измеряется количеством слов, принятых без искажения. Натуральность характеризуется тембром речи, позволяющим узнавать говорящего по голосу. Громкость зависит от мощности звуковых колебаний (от 0,01 мкВт до крика в 5000 мкВт). Кроме угольного микрофона часто применяется электромагнитный: имея более низкую чувствительность (поэтому нужен специальный усилитель сигналов), он обладает высокой шумостойкостью, так как в нём шумы воздействуют с двух сторон мембраны.
Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких человека через голосовые связки. Частота импульсов основного тока колеблется 50… 80 Гц (низкий голос - бас) до 200… 250 Гц (высокий голос - женские и детские). Речь представляет собой широкополосный процесс, принятый в интервале 300-3400 Гц. Передача сигналов звукового вещания (речь и музыка) осуществляется при использовании более качественных микрофонов и телефонов (громкоговорители) в диапазоне 20..15000 Гц. Максимальная мощность сигнала – 0,8 Вт (звуковые колонки – 30-40 Вт).
Пьеза (гр. - давлю) - единица измерения давления и напряжения (соответствует »0,01 кгс/см2). Пьезоэлектрический эффект - возникновение электрических зарядов при деформации кристалла (прямой эффект) и деформации кристалла под воздействием электрического поля (обратный эффект). Пьезоэлектриками являются вещества, кристаллы которых не имеют центра симметрии, например, пьезокварц (природный и синтетический), пьезокерамика.
Магнитострикция (от лат. – сжатие) – изменение формы и размеров кристаллических тел (особенно в ферромагнетиках - железо, кобальт, никель) при их намагничивании. Вызывается изменением энергетического состояния кристаллической решётки в магнитном поле и, как следствие, расстояний между узлами решётки. Обратное по отношению к магнитострикции явление (эффект Виллари) – изменение намагниченности тела при его деформации.
Инфразвук (от лат. ”ниже”) – неслышимые человеческим ухом упругие волны низкой частоты (менее 16 Гц). При больших амплитудах ощущается как боль в ухе, слабо поглощается и поэтому распространяется на большие расстояния, может служить предвестником бурь, ураганов, землетрясений, сигналом подземных и подводных взрывов.
Ультразвук (от лат. ”сверх”) – не слышимые человеческим ухом упругие волны высокой частоты (более 20 кГц). Содержится в шуме ветра и моря, в шуме машин, издаётся и воспринимается некоторыми видами животных. Применяются в дефектоскопии, навигации, подводной связи, ускорения химических и обменных процессов, диагностике и лечении в медицине (УЗИ, терапия). Специзлучатели и электроакустические преобразователи обеспечивают пайку и сварку, шлифование и сверление, гравировку и очистку поверхностей, дальномеры, исследование пород в геологии.
2.2 Элементы оптоэлектроники
Оптическое излучение – электромагнитные волны с длиной волны от 1 нм до 1 мм ( 3·1017 до 3·1011 Гц) – включают диапазон ИК, УФ и видимого человеком излучения. Распространяется по световодам, на концах которых имеются специальные передатчики и приемники сигналов. Передатчик объединяет источник лазерного излучения и оптический модулятор электрического сигнала, несущего передаваемую информацию. Приёмником служит фотодетектор, преобразующий передаваемый по оптическому кабелю световой поток в электрический сигнал. Линия передачи может иметь усилительные станции.
Волоконно-оптический кабель состоит из нескольких волоконных световодов диаметром » 0,1 мм, защищённых от контакта с внешней средой и механической деформации оболочкой. Характеризуется невосприимчивостью к различного рода помехам, низкими потерями, широкополостностью (в системах многоканальной связи позволяет образовывать сотни тысяч телефонных каналов). Оптические кабели успешного вытесняют металлические в силу их явных преимуществ: отсутствие дефицитных материалов, надёжность соединений и механическая прочность, гибкость, идеальная электро- и магнитная изоляция, малые габариты и материалоёмкость, взрывобезопасность, коррозионная стойкость. Сдерживающим фактором пока является стоимость. Свойства распространения, поглощения и рассеивания используются в дальномерах и локаторах, оптических резонаторах (обратная положительная связь в лазерах), призмах, телескопах и микроскопах, печах разогрева, медицине, термической обработки материалов, сварке (резке, сверлении) сверх твердых материалов и мелких деталей, вычислительной технике.
Световод обеспечивает направленную передачу световой знергии. Наиболее распространен стеклянный волоконный световод – тонкая двухслойная нить, сердцевина которой имеет показатель преломления больше, чем оболочка. Свет в световоде распространяется в результате полного внутреннего отражения от границы раздела. Оптическая связь осуществляется по средствам электромагнитных колебаний оптического диапазона 1013 – 1015 Гц, обычно с применением лазеров. Системы оптической связи конструктивно похожие системам радиосвязи перспективные оптические системы космические (открытые) и наземные (закрытые, на световодах).
Световоды пропускают свет с длиной волны 0,4-3 мкм (пока используется 0,6-1,6 мкм). По мере совершенствования технологий производства излучателей и приемников делают системы с более длинными волнами — 0,8-1,3-1,5-2,8 мкм, передача которых может быть эффективнее. Высокая частота электромагнитных колебаний этого диапазона (около 1 кГц) дает потенциальную возможность достижения скорости передачи информации вплоть до терабит в секунду. Реально достижимый предел скорости определяется существующими источниками и приемниками сигналов — в настоящее время освоены скорости до нескольких гигабит в секунду.
Лазер (от англ. фразы “усиление света в результате вынужденного излучения ” - оптический квантовый генератор) – источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии. Виды лазеров: газовые, жидкие, твердотельные. В лазерах происходит преобразование различных видов энергии в энергию излучения. Главный элемент лазера – активная среда, для образования которой используют: воздействие света, электрический разряд в газах, химические реакции, бомбардировку электромагнитным пучком и другие методы “накачки”.
Фотодетектор представляет собой светодиод, сопротивление которого зависит от плотности падающего на него светового потока. Модулированный световой поток, передаваемый по световоду, преобразуется в электрический сигнал, соответствующий сигналу в передатчике информации.
2.3 э лементы инфракрасной и ультрафиолетовой техники
Инфракрасное (ИК) излучение – невидимое глазом (тепловое) электромагнитное излучение в пределах длины волн от 1 мм до 0,7 мкм. Оптические свойства веществ в ИК-излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении (например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для ИК волн l >1 мкм). ИК-излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, 50% излучения Солнца, излучения некоторых лазеров. Для регистрации ИК излучения пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приемниками, а также специальными фотоматериалами (с применением цианистых красителей).
Инфракрасная техника используется для генерирования, обнаружения и измерения инфракрасных (тепловых) излучений, наблюдения и фотографирования в темноте, получения чётких изображений удалённых и мелких объектов в астрологии и биологии, измерения температуры нагретых тел на расстоянии и их дефектоскопии, осуществления земной и космической связи, самонаведения на цель ракет и снарядов.
Ультрафиолетовое (УФ) излучение - невидимое глазом электромагнитное излучение в пределах длины волн 400 – 10 нм. С уменьшением длины волны коэффициент поглощения большинства прозрачных тел растёт, а коэффициент отражения падает. Источники УФ-излучения: плазма, электроны, лазеры, Солнце и звёзды (почти полностью поглощается земной атмосферой, ионизируя газы ионосферы), а приёмники – фотоматериалы, детекторы ионизирующих излучений. Биологическое действие – изменение молекул живых клеток (ДНК) до мутации и гибели, малые дозы оказывают благотворное действие на живые организмы.
В спутниковых антеннах применяются конверторы, обеспечивающие, например, понижение частоты радиосигнала от спутника в диапазоне 10,7–12,7 ГГц до 0,95–2,15 ГГц (для работы ресивера телеканала).
Задания для самоконтроля
1. Показать на частотной шкале диапазон акустических (ультразвуковых, инфразвуковых, видимых, ИК- и УФ-волн).
2. Пояснить устройство волоконно-оптического кабеля и характер распространения по нему сигнала.
3. Перечислить достоинства и недостатки волоконно-оптического канала связи.
4. Приведите примеры применения в разных системах акустических, электрических и оптических преобразователей и их технические параметры.
3 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
3.1 Общие тенденции развития
Основные проблемы и реализация внутренней и внешней памяти дискретных устройств изучены в первом семестре по дисциплине АСВТ и изложены в работах [4, 8], а также поздних материалах [18, 24].
Варианты RAM:
WRAM, VRAM, EDO VRAM – дорогие, двухпортовые для 1600х768х16,7 Мцв,
FRM DRAM – SIMM (4-64) Mб,
EDO DRAM – SIMM (4-128) Mб, дешёвая, однопортовая для 15” 800х600х16,7 Мцв,
SDRAM – синхронная DRAM,
SGRAM – для графических адаптеров (1024х768)или (1280х1024)х16,7 Мцв для 17” и 20”,
MDRAM (Multibank DRAM),
RDRAM (Rambus DRAM).
Виды DRAM: Fc RAM (Fast Cycle RAM)
SLD RAM
Сверхпамять Magnetic Race-Track разрабатывается в IBM на основе сверхмагниторезистивного эффекта (GMR). Разработанные ранее Magnetic RAM, программируемые полупроводниковые PCRAM и ферроэлектрические FRAM уже в производстве, а голография трудна в миниатюризации; SRAM и DRAM зависят от питания, флэш NOR и NAND имеют ограничения по числу переписи; ЖД и МЛ при высокой емкости и низкой стоимости имеет много движущихся частей и большое временя доступа при относительно малом сроке безотказной работы. [Computer World-№32-6.9.05,с.20]
В Корее создан новый тип энергонезависимой памяти ReRAM: специальный материал кристалл SrTiO3 (стронций+титан+кислород) и технология обработки поверхности. Данные могут храниться 10 лет, обеспечивается 10 млн. перезаписи, при существенном увеличении быстродействия и емкости (более 125 Гб).
Приоритеты Seagate в сфере хранителей информации:
- потребительская электроника: НЖМД 1”, 8 Гб, 2,5” с низким электропотреблением и большие 500 Гб; новая технология DynaPlay для видеопотоков на DVR до 500 часов стандартного ТВ-качества или 85 часов HDTV (несовместимы с обычными ВС);
- ВС: ёмкие накопители;
- корпоративный рынок: 3,5”, 15000 rpm;
- мобильные ПК: 2,5” (большой качественный рост), 160 Гб с вертикальной записью.
Samsung выпустил DDR 2 DRAM 1 Гбит с 800 Мбит/с по 50-нм (вдвое более производительны, чем по 80-нм, и на 50% повышают эффективность производства). Особо важно с Win Vesta и переходе к DDR3.
Новые модули DDR3 по 0,5-1 Гб способны работать до 1800 МГц. Новинка в первую очередь ориентирована на геймеров. 23.07.07
В сер. 2010 г. намечен выпуск модулей DDR3 с частотой 800-600 МГц, 1,5 В.
3.2 Модели накопителей со сменными носителями
Основные виды и технико-экономические параметры накопителей информации изучены в первом семестре по дисциплине ВТП и изложены в работах [4, 8], а также поздних материалах [18, 24] и дайджестах за 2004 - 2008 г.[6].
Магнитная лента История: 1928г. – изобрели магнитофон,
1929г. – запись на магнитную струю,
1951г. – пам
ять в UNIVAC
1953г. – пластиковая МЛ в IBM701,
1987г. – от видеокассет взят наклонный способ,
1975г. - вертикальное (перпендикулярное) намагничивание.
Гибкая лента (основа + магнитный слой) с последовательными 3п/чт размещена в бобинах, катушках, кассетах, катриджах. Параметры:
- ширина 3,8-4-12,7-25,4-50,8 мм, 3п/чт на 2-8-9-18 дорожек; плотность 32-128 бит/мм (вертикальная 8000 бит/мм); запись линейная, линейно-серпантинная, наклонная;
- ёмкость без сжатия 12-40-100-800-1600-4000-15000 Мб, сжатие 2-10 к 1;
- быстродействие 0,5-10 ... 40 Мб/с, перемещение 2-3 м/с и перемотка 7-5 м/с ;
- накопители рычажные и роликовые; стриммеры устанавливаются в 3,5” «гнездо» и подключаются к контроллеру НГМД; новые стриммеры имеют 40-500 Гб при 3-40 Мб/с и ср. время доступа 40-100 с, память MIC (memory-in-cassete) для поиска файла на ленте; запись наклонная и вертикальная;
- 2004г. 4-260 Гб, $25-2500, 8-30-10 Гб/$.
Ленточный накопитель НР 72 Гбайт ($930, 0,013 $/МВ). МЛ - ????
[???, №16, 28.04.05, с.10]
Созданы дисковые библиотеки высокой пропускной способности (резервирование, восстановления и архивирования) емкостью 350-175-37,5 Гбайт. 6.9.05
Стримеры имеют до 1,5 Тб (без компрессии), скорости сравнимы с НЖМД (до 60 Мб/с, время поиска до 10 с - при среднем порядка 80-100 с). Лучшие имеют (без компрессии) от 40 Мб до 20-500 Гб, 2-80 Мб/с, цена НМЛ $500-15000 при 0,5 $/Гб. Основные проблемы стримеров связаны с повышением емкости носителей (до 200 дорожек на ленте шириной 8 мм), скорости записи и передачи данных (одновременно несколько дорожек, сжатие данных при записи), надежности хранения и считывания данных (таблица файлов, контрольные и корректирующие коды: циклические коды и коды Рида-Соломона.), уменьшением времени поиска и износа ленты. На основе стримеров строятся специальные автоматизированные библиотеки до нескольких сотен накопителей и храниться несколько тысяч картриджей, организуются массивы, аналогичные RAID-массивам жестких дисков. Но на смену им пришли DVD -библиотеки, намного более доступные и простые в обращении. В продаже апр.2007 г. только у iMANGO HPSureStore int за 18000руб. и кассета DDS 40 Гб за 230руб.
IBM разработала технологию записи на МЛ в 15 раз плотнее кассет типаVHS (до 8 Тб). Выпуск к 2010 г. 3 Dnews 1.6.06
История развития НЖМД [???- 18.3.2004]
1956 г. - первый диск IBM RAMAC - 5 Мбайт на пятидесяти 24 " дисках, 2000 bpi2, 8800 bps.
1962 - впервые использована воздушная подушка: 28 Мб, 25х24" дисков,
20000 bpi2, 88000 bps.