Тенденции развития цифровых аппаратных средств ит. Современные тенденции развития радиопередающей техники
Первые электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились немногим более 50 лет назад. За это время микроэлектроника, вычислительная техника и вся индустрия информатики стали одними из основных составляющих мирового научно-технического прогресса. Влияние вычислительной техники на все сферы деятельности человека продолжает расширяться. В настоящее время ЭВМ используются не только для выполнения сложных расчетов, но и в управлении производственными процессами, в образовании, здравоохранении, экологии и т.д. Это объясняется тем, что ЭВМ способны обрабатывать любые виды информации: числовую, текстовую, табличную, графическую, звуковую, видеоинформацию.
Первая электронная вычислительная машина ЕЫ1ЛС была построена в 1946 г. в рамках одного научно-исследовательского проекта, финансируемого министерством обороны США. Годом ранее Дж. фон Нейман издал статью, в которой были изложены основные принципы построения компьютеров. В основу проекта был положен макет вычислителя, разработанный американцем болгарского происхождения Дж. Атанасовым, занимавшимся крупномасштабными вычислениями. В осуществлении проекта принимали активное участие такие крупные ученые, как К. Шеннон, Н. Виннер, Дж. фон Нейман и др. С этого момента началась эра вычислительной техники. С отставанием в 10-15 лет стала развиваться и отечественная вычислительная техника.
Математические основы автоматических вычислений к этому времени были уже разработаны (Г. Лейбниц, Дж. Буль, Л.Тьюринг и др.), но появление компьютеров стало возможным только благодаря развитию электронной техники. Многократные попытки создания разного рода автоматических вычислительных устройств (от простейших счет до механических и электромеханических вычислителей) не позволяли построить надежные и экономически эффективные машины.
Появление электронных схем сделало возможным построение электронных вычислительных машин.
Электронная вычислительная машина, или компьютер - это комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для автоматизации подготовки и решения задач пользователей (рис. 1).
Под пользователем понимают человека, в интересах которого проводится обработка данных. В качестве пользователя могут выступать заказчики вычислительных работ, программисты, операторы. Как правило, время подготовки задач во много раз превышает время их решения.
Компьютеры являются универсальными техническими средствами автоматизации вычислительных работ, то есть они способны решать любые задачи, связанные с преобразованием информации. Однако подготовка задач к решению на ЭВМ была и остается до настоящего времени достаточно трудоемким процессом, требующим от пользователей во многих случаях специальных знаний и навыков.
Для снижения трудоемкости подготовки задач к решению, более эффективного использования отдельных технических, программных средств и ЭВМ в целом, а также облегчения их эксплуатации каждая ЭВМ имеет специальный комплекс программных средств. Обычно аппаратные и программные средства взаимосвязаны и объединяются в одну структуру.
Структура представляет собой совокупность элементов и их связей. В зависимости от контекста различают структуры технических, программных, аппаратно-программных и информационных средств.
Часть программных средств обеспечивает взаимодействие пользователей с ЭВМ и является своеобразным «посредником» между ними. Она получила название операционная система и является ядром программного обеспечения ЭВМ.
Под программным обеспечением будем понимать комплекс программных средств регулярного применения, предназначенный для создания необходимого сервиса для работы пользователей.
Программное обеспечение (ПО) отдельных ЭВМ и вычислительных систем (ВС) может сильно различаться составом используемых программ, который определяется классом используемой вычислительной техники, режимами ее применения, содержанием вычислительных работ пользователей и т.п. Развитие ПО современных ЭВМ и ВС в значительной степени носит эволюционный и эмпирический характер, но можно выделить закономерности в его построении.
Рассмотрим основные вехи и тенденции развития компьютеров, их аппаратных и программных средств (табл. 1).
Таблица 1
| Автоматизация подготовки и решения задач на ЭВМ
|
В общем случае процесс подготовки и решения задач на ЭВМ предусматривает обязательное выполнение следующей последовательности этапов:
1) формулировка проблемы и математическая постановка задачи;
2) выбор метода и разработка алгоритма решения;
3) программирование (запись алгоритма) с использованием некоторого алгоритмического языка;
4) планирование и организация вычислительного процесса - порядка и последовательности использование ресурсов ЭВМ и ВС;
5) формирование «машинной программы», то есть программы, которую непосредственно будет выполнять ЭВМ;
6) собственно решение задачи - выполнение вычислений по готовой программе.
По мере развития вычислительной техники автоматизация этих этапов идет снизу
На пути развития электронной вычислительной техники можно выделить четыре поколения ЭВМ, отличающихся элементной базой, функционально-логической организацией, конструктивно-технологическим исполнением, программным обеспечением, техническими и эксплуатационными характеристиками, степенью доступа к ЭВМ со стороны пользователей. Смене поколений сопутствовало изменение основных технико-эксплуатационных и техникоэкономических показателей ЭВМ и в первую очередь таких, как быстродействие, емкость памяти, надежность и стоимость. При этом одной из основных тенденций развития было и остается стремление уменьшить трудоемкость подготовки программ решаемых задач, облегчить связь операторов с машинами, повысить эффективность использования последних. Это диктовалось и диктуется постоянным ростом сложности и трудоемкости задач, решение которых возлагается на ЭВМ в различных сферах применения.
Возможности улучшения технико-эксплуатационных показателей ЭВМ в значительной степени зависят от элементов, используемых для построения их электронных схем. Поэтому при рассмотрении этапов развития ЭВМ каждое поколение в первую очередь, как правило, характеризуется используемой элементной базой.
Основным активным элементом компьютеров первого поколения являлась электронная лампа, остальные компоненты электронной аппаратуры - это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Для построения оперативной памяти уже с середи
Принципы построения компьютера
ны 50-х годов начали применяться специально разработанные для этой цели элементы - ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. В качестве устройства ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин), а затем специально были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах, дисках и быстродействующие печатающие устройства.
Компьютеры этого поколения имели значительные размеры, потребляли большую мощность. Быстродействие этих машин составляло от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду, емкость памяти - несколько тысяч машинных слов, надежность исчислялась несколькими часами работы.
В этих ЭВМ автоматизации подлежал только шестой этап, так как практически отсутствовало какое-либо программное обеспечение. Все пять предыдущих этапов пользователь должен был готовить вручную самостоятельно, вплоть до получения машинных кодов программ. Трудоемкий и рутинный характер этих работ был источником большого количества ошибок в заданиях. Поэтому в ЭВМ следующих поколений появились сначала элементы, а затем целые системы, облегчающие процесс подготовки задач к решению.
На смену ламп пришли транзисторы в машинах второго поколения (начало 60х годов). Компьютеры стали обладать большими быстродействием, емкостью оперативной памяти, надежностью. Все основные характеристики возросли на 1-2 порядка. Существенно были уменьшены размеры, масса и потребляемая мощность. Большим достижением явилось применение печатного монтажа. Повысилась надежность электромеханических устройств ввода-вывода, удельный вес которых увеличился. Машины второго поколения стали обладать большими вычислительными и логическими возможностями.
Особенность машин второго поколения - их дифференциация по применению. Появились компьютеры для решения научно-технических и экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами (управляющие машины).
Наряду с техническим совершенствованием ЭВМ развиваются методы и приемы программирования вычислений, высшей ступенью которых является появление систем автоматизации программирования, значительно облегчающих труд математиков- программистов.
Большое развитие и применение получили алгоритмические языки, существенно упрощающие процесс подготовки задач к решению. С появлением алгоритмических языков резко сократились штаты программистов, поскольку составление программ на этих языках стало под силу самим пользователям.
Широкое применение алгоритмических языков (Автокоды, Алгол, Фортран и др.) и соответствующих им трансляторов, позволяющих автоматически формировать машинные программы по их описанию на алгоритмическом языке, привело к созданию библиотек стандартных программ, что позволило строить машинные программы блоками, используя накопленный и приобретенный программистами опыт. Новые программные средства здесь еще не объединялись в отдельные пакеты под общим управлением. Отметим, что временные границы появления всех этих нововведений достаточно размыты. Обычно их истоки можно обнаружить уже в недрах ЭВМ предыдущих поколений.
Третье поколение ЭВМ (в конце 60-х - начале 70-х годов) характеризуется широким применением интегральных схем. Интегральная схема представляет собой законченный логический и функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме. Благодаря использованию интегральных схем удалось еще более
улучшить технические и эксплуатационные характеристики машин. Вычислительная техника стала иметь широкую номенклатуру устройств, позволяющих строить разнообразные системы обработки данных, ориентированные на различные применения. Они охватывали широкий диапазон по производительности, чему способствовало также повсеместное применение многослойного печатного монтажа.
В компьютерах третьего поколения значительно расширился набор различных электромеханических устройств ввода и вывода информации. Развитие этих устройств носит эволюционный характер: их характеристики улучшаются гораздо медленнее, чем характеристики электронного оборудования.
Отличительной особенностью развития программных средств этого поколения является появление ярко выраженного программного обеспечения и развитие его ядра - операционных систем, отвечающих за организацию и управление вычислительным процессом. Именно здесь понятие «ЭВМ» все чаще стало заменяться понятием «вычислительная система», что в большей степени отражало усложнение как аппаратурной, так и программной частей ЭВМ. Стоимость программного обеспечения стала расти, и в настоящее время намного опережает стоимость аппаратуры (рис. 2).
| Рис. 2. Динамика изменения стоимости аппаратурных и программных средств
|
Операционная система (ОС) планирует последовательность распределения и использования ресурсов вычислительной системы, а также обеспечивает их согласованную работу. Под ресурсами обычно понимают те средства, которые используются для вычислений: машинное время отдельных процессоров или ЭВМ, входящих в систему; объемы оперативной и внешней памяти; отдельные устройства, информационные массивы; библиотеки программ; отдельные программы как общего, так и специального применения и т.п. Интересно, что наиболее употребительные функции ОС в части обработки внештатных ситуаций (защита программ от взаимных помех, системы прерываний и приоритетов, служба времени, сопряжение с каналами связи и т.д.) были полностью или частично реализованы аппаратурно. Одновременно были реализованы более сложные режимы работы: коллективный доступ к ресурсам, мультипрограммные режимы. Часть этих решений стала своеобразным стандартом и начала использоваться повсеместно в ЭВМ различных классов.
В машинах третьего поколения существенно расширены возможности по обеспечению непосредственного доступа к ним со стороны абонентов, находящихся на различных, а том числе и значительных (десятки и сотни километров) расстояниях. Удобство общения абонента с машиной достигается за счет развитой сети абонентских пунктов, связанных с ЭВМ информационными каналами связи, и соответствующего программного обеспечения.
Например, в режиме разделения времени многим абонентам предоставляется возможность одновременного, непосредственного и оперативного доступа к ЭВМ. Вследствие большого различия инерционности человека и машины у каждого из одновременно работающих абонентов складывается впечатление, будто ему одному предоставлено машинное время.
Здесь еще в большей степени проявляется тенденция к унификации ЭВМ, созданию машин, представляющих собой единую систему. Ярким примером этой тенденции служит отечественная программа создания и развития Единой системы электронных вычислительных машин (ЕС ЭВМ).
ЕС ЭВМ представляла собой семейство (ряд) программно-совместимых машин, построенных на единой элементной базе, на единой конструктивно-технологической основе, с единой структурой, единой системой программного обеспечения и единым унифицированным набором внешних устройств.
Промышленный выпуск первых моделей ЕС ЭВМ был начат в 1972 г., при их создании были использованы все современные достижения в области электронной вычислительной техники, технологии и конструирования ЭВМ, в области построения систем программного обеспечения. Объединение знаний и производственных мощностей стран- разработчиков позволило в довольно сжатые сроки решить сложную комплексную научно-техническую проблему. ЕС ЭВМ представляла собой непрерывно развивающуюся систему, в которой улучшались технико-эксплуатационные показатели машин, совершенствовалось периферийное оборудование и расширялась его номенклатура.
Для машин четвертого поколения (80-е годы) характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, усложнению ее функций, повышению надежности и быстродействия, снижению стоимости. Это в свою очередь оказало существенное воздействие на логическую структуру ЭВМ и ее программное обеспечение. Более тесной стала связь структуры машины и ее программного обеспечения, особенно операционной системы.
В четвертом поколении с появлением в США микропроцессоров (1971 г.) возник новый класс вычислительных машин - микроЭВМ, на смену которым пришли персональные компьютеры (ПК, начало 80-х годов). В этом классе ЭВМ наряду с БИС стали использоваться сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) 32-, а затем 64-разрядности.
Появление ПК - наиболее яркое событие в области вычислительной техники, до последнего времени самый динамично развивающийся сектор отрасли. С их внедрением решение задач информатизации общества было поставлено на реальную основу.
Основная цель использования ПК - формализация профессиональных знаний. Здесь, в первую очередь, автоматизируется рутинная часть работ (сбор, накопление, хранение и обработка данных), которая занимает более 75% рабочего времени специали- стов-прикладников. Применение ПК позволило сделать труд специалистов творческим, интересным, эффективным. В настоящее время ПК используются повсеместно, во всех сферах деятельности людей. Новые сферы применения изменили и характер вычислительных работ. Так, инженерно-технические расчеты составляют не более 9-15%, в большей степени ПК теперь используются для автоматизации управления сбытом, закупками, управления запасами, производством, для выполнения финансово-экономических расчетов, делопроизводства, игровых задач и т.п.
Применение ПК позволило использовать новые информационные технологии и создавать системы распределенной обработки данных. Высшей стадией систем распределенной обработки данных являются компьютерные (вычислительные) сети различных уровней - от локальных до глобальных.
В компьютерах этого поколения продолжается усложнение технических и программных структур (иерархия управления средствами, увеличение их количества). Следует указать на заметное повышение уровня «интеллектуальности» систем, создаваемых на их основе. Программное обеспечение этих машин создает «дружественную» среду общения человека и компьютера. Оно, с одной стороны, управляет процессом обработки информации, а с другой, создает необходимый сервис для пользователя, снижая трудоемкость его рутинной работы и предоставляя ему возможность больше внимания уделять творчеству.
Подобные тенденции будут сохраняться и в ЭВМ следующих поколений. Так, по мнению исследователей , машины следующего столетия будут иметь встроенный в них «искусственный интеллект», что позволит пользователям обращаться к машинам (системам) на естественном языке, вводить и обрабатывать тексты, документы, иллюстрации, создавать системы обработки знаний и т.д. Все это приводит к необходимости усложнения аппаратной части компьютеров, появлению вычислительных систем на их основе, а также к разработке сложного многоэшелонного иерархического программного обеспечения систем обработки данных.
Радиопередающие устройства (РПдУ) применяются в сферах телекоммуникации, телевизионного и радиовещания, радиолокации, радионавигации. Стремительное развитие микроэлектроники, аналоговой и цифровой микросхемотехники, микропроцессорной и компьютерной техники оказывает существенное влияние на развитие радиопередающей техники как с точки зрения резкого увеличения функциональных возможностей, так и с точки зрения улучшения ее эксплуатационных показателей. Это достигается за счет использования новых принципов построения структурных схем передатчиков и схемотехнической реализации отдельных их узлов, реализующих цифровые способы формирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, имеющих различные частоты и уровни мощности.
Радиопередатчики, в которых используются цифровые способы формирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, будем далее называть цифровыми радиопередающими устройствами (ЦРПдУ).
Рассмотрим современные требования к РПдУ, которые ставят проблемы, не решаемые в принципе методами аналоговой схемотехники, что вызывает необходимость применения цифровых технологий в РПдУ.
В области телекоммуникаций и вещания можно выделить следующие основные непрерывно возрастающие требования к системам передачи информации, элементами которых являются РПдУ:
Обеспечение помехоустойчивости в перегруженном радиоэфире;
Повышение пропускной способности каналов;
Экономичность использования частотного ресурса при многоканальной связи;
Улучшение качества сигналов и электромагнитной совместимости.
Стремление удовлетворить этим требованиям приводит к появлению новых стандартов связи и вещания. Среди уже известных GSM, DECT, SmarTrunkII, TETRA, DRM и др.
Основным направлением развития систем связи является обеспечение множественного доступа, при котором частотный ресурс совместно и одновременно используется несколькими абонентами. К технологиям множественного доступа относятся TDMA, FDMA, CDMA и их комбинации. При этом повышают требования и к качеству связи, т.е. помехоустойчивости, объему передаваемой информации, защищенности информации и идентификации пользователя и пр. Это приводит к необходимости использования сложных видов модуляции, кодирования информации, непрерывной и быстрой перестройки рабочей частоты, синхронизации циклов работы передатчика, приемника и базовой станции, а также обеспечению высокой стабильности частоты и высокой точности амплитудной и фазовой модуляции при рабочих частотах, измеряемых гигагерцами. Что касается систем вещания , здесь основным требованием является повышение качества сигнала на стороне абонента, что опять же приводит к повышению объема передаваемой информации в связи с переходом на цифровые стандарты вещания. Крайне важна также стабильность во времени параметров таких радиопередатчиков - частоты, модуляции. Очевидно, что аналоговая схемотехника с такими задачами справиться не в состоянии, и формирование сигналов передатчиков необходимо осуществлять цифровыми методами.
Современную радиопередающую технику невозможно представить без встроенных средств программного управления режимами работы каскадов, самодиагностики, автокалибровки, авторегулирования и защиты от аварийных ситуаций, в том числе автоматического резервирования. Такие функции в передатчиках осуществляют специализированные микроконтроллеры, иногда совмещающие функции цифрового формирования передаваемых сигналов. Часто используется дистанционное управление режимами работы при помощи удаленного компьютера через специальный цифровой интерфейс. Любой современный передатчик или трансивер обеспечивает определенный уровень сервиса для пользователя , включающий цифровое управление передатчиком (например, с клавиатуры) и индикацию режимов работы в графической и текстовой форме на экране дисплея. Очевидно, что здесь не обойтись без микропроцессорных систем управления передатчиком, определяющих его важнейшие параметры.
Производство передатчиков такого уровня сложности было бы экономически невыгодно в случае их аналогового исполнения. Именно средства цифровой микросхемотехники, позволяющие заменить целые блоки обычных передатчиков, дают возможность существенно улучшить массогабаритные показатели передатчиков (вспомните сотовые телефоны), достичь повторяемости параметров, высокой технологичности и простоты в их изготовлении и настройке.
Очевидно, что появление и развитие цифровых радиопередающих устройств явилось неизбежным и необходимым этапом истории радиотехники и телекоммуникаций, позволив решить многие насущные задачи, недоступные аналоговой схемотехнике.
В качестве примера рассмотрим вещательный цифровой радиопередатчик HARRIS PLATINUM Z (рис.1.1), обладающий следующими основными особенностями (информация на www.pirs.ru):
А) Полностью цифровой FM-возбудитель HARRIS DIGITTM с встроенным стереогенератором с цифровой обработкой сигнала. Будучи первым в мире полностью цифровым FМ-возбудителем, HARRIS DIGITTM принимает звуковые частоты в стандарте AES/EBU в цифровом виде и генерирует максимально модулированную несущую радиочастоту полностью в цифровом режиме, благодаря чему уровень помех и искажений ниже, чем в любом другом FM-передатчике (16-битовое цифровое качество ЗЧ).
Б) Система быстрого пуска обеспечивает достижение полной мощности по всем показателям в течение 5 секунд после включения.
В) Контроллер на микропроцессорах позволяет осуществлять полный контроль, диагностику и вывод на дисплей. Включает в себя встроенную логику и команды для переключения между основными/дополнительными HARRIS DIGITTM возбудителями и предварительным усилителем мощности (ПУМ).
Г) Широкополосная схема позволяет отказаться от настройки в диапазоне от 87 до 108 МГц (при варианте N+1). Изменение частоты можно произвести вручную переключателями менее чем за 5 минут, и менее чем за 0,5 сек с помощью дополнительного внешнего контроллера.
Рис.1.1
Еще одним примером цифрового радиопередатчика может послужить устройство для беспроводной передачи данных BLUETOOTH (информация www.webmarket.ru), который будет подробнее рассмотрен в п.3.1 (рис.1.2 и табл.1.1).
Рис.1.2.
Табл.1.1. Краткие спецификации Bluetooth
Итак, выделим основные области применения цифровых технологий формирования и обработки сигналов в радиопередающих устройствах.
1. Формирование и преобразование аналоговых и цифровых информационных НЧ сигналов, в т.ч. сопряжение компьютера с радиопередатчиком (групповые сигналы, кодирование, преобразование аналоговых сигналов в цифровые или наоборот).
2. Цифровые методы модуляции ВЧ сигналов.
3. Синтез частот и управление частотой.
4. Цифровой перенос спектра сигналов.
5. Цифровые методы усиления мощности ВЧ сигналов.
6. Цифровые системы автоматического регулирования и управления передатчиками, индикации и контроля.
Следующие разделы содержат более подробную информацию о каждой из названных областей применения цифровой техники в радиопередатчиках.
Список литературы
1. Цифровые радиоприемные системы / Под ред. М.И. Жодзишского. М.: Радио и связь, 1990. 208 с.
2. Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств / Под ред. А.Д.Артыма. М.: Радио и связь, 1987. 175 с.
3. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1990. 256 с.
4. Семенов Б.Ю. Современный тюнер своими руками. М.: СОЛОН_Р. 2001. 352 с.
Появление ПК справедливо считают грациозной научно-технической революцией, сравнимой по масштабам с изобретением электричества, радио. К моменту рождения ПК вычислительная техника уже существовала четверть века. Старые ЭВМ были отделены от массового пользователя, с ними работали специалисты (электронщики, программисты, операторы). Рождение ПК сделало ЭВМ массовым инструментом. Облик ЭВМ кардинально изменился: она стала дружественной (т.е. способной вести культурный диалог с человеком на визуально комфортном экране). В настоящее время в мире используются сотни миллионов ПК как на производстве, так и в повседневной жизни.
Информатика и её практические результаты становятся важнейшим двигателем научно-технического прогресса и развития человеческого общества. Её технической базой являются средства обработки и передачи информации. Скорость их развития поразительна, в истории человечества этому бурно развивающемуся процессу нет аналога. Можно утверждать, что история вычислительной техники уникальна, прежде всего, фантастическими темпами развития аппаратных и программных средств. В последнее время идет активный рост слияния компьютера, средств связи и бытовых приборов в единый набор. Будут создаваться новые системы, размещенные на одной интегральной схеме и включающие кроме самого процессора и его окружения, еще и программное обеспечение.
Уже сейчас на смену универсальным компьютерам приходят новые устройства - смартфоны, решающие конкретный спектр задач своего владельца. Развивается система карманных компьютеров.
Характерной чертой компьютеров пятого поколения обязано быть внедрение искусственного интеллекта и естественных языков общения. Предполагается, что вычислительные машины пятого поколения будут просто управляемы. Пользователь сумеет голосом подавать машине команды.
Предполагается, что XXI век будет веком наибольшего использования достижений информатики в экономике, политике, науке, образовании, медицине, быту, военном деле.
Главной тенденцией развития вычислительной техники в настоящее время является дальнейшее расширение сфер внедрения ЭВМ и, как следствие, переход от отдельных машин к их системам - вычислительным системам и комплексам разнообразных конфигураций с широким спектром функциональных возможностей и черт.
Более перспективные, создаваемые на базе персональных ЭВМ, территориально распределенные многомашинные вычислительные системы. Вычислительные сети - ориентируются не столько на вычислительную обработку информации, сколько на коммуникационные информационные сервисы: электронную почту, системы телеконференций и информационно-справочные системы. Специалисты считают, что в начале XXI в. в цивилизованных странах произойдет смена основной информационной среды.
В последние годы, при разработке новых ЭВМ большее внимание уделялось сверхмощным компьютерам - суперЭВМ и миниатюрным, и сверхминиатюрные ПК. Ведутся поисковые работы по созданию ЭВМ 6-го поколения, базирующихся на распределенной нейронной архитектуре, нейрокомпьютеров. В частности, в нейрокомпьютерах могут употребляться уже имеющиеся специализированные сетевые МП - транспьютеры - микропроцессоры сети со встроенными средствами связи.
Примерная характеристика компьютеров шестого поколения.
Цифровые технологии дали возможность создать ряд современных аппаратных средств, которые оказывают существенную помощь работе правоохранительных органов. К ним относятся мобильная сотовая связь, цифровые диктофоны, цифровые фото- и видеокамеры.
Связь называют мобильной, если источник информации или ее получатель (или оба) перемещаются в пространстве. Сущность сотовой связи заключается в разделении пространства на небольшие участки - соты (или ячейки радиусом 1-5 км) и отделении радиосвязи в пределах одной ячейки от связи между ячейками. Это позволяет использовать в разных сотах одни и те же частоты. В центре каждой ячейки располагается базовая (приемно-передающая) радиостанция для обеспечения радиосвязи в пределах ячейки со всеми абонентами. У каждого абонента своя микрорадиостанция - мобильный телефон - комбинация телефона, приемопередатчика и мини-компьютера. Абоненты связываются между собой через базовые станции, соединенные друг с другом и с городской телефонной сетью. Каждая ячейка сотов обслуживается базовым радиопередатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это дает возможность повторно использовать ту же частоту в других сотах. Во время разговора сотовый радиотелефон соединен с базовой станцией радиоканалом, по которому передается телефонный разговор. Размеры ячейки сотов определяются максимальной дальностью связи радиотелефонного аппарата с базовой станцией. Эта максимальная дальность является радиусом соты.
Идея мобильной сотовой связи состоит в том, что, еще не выйдя из зоны действия одной базовой станции, мобильный телефон попадает в зону действия любой соседней вплоть до наружной границы всей зоны сети.
Для этого созданы системы антенн-ретрансляторов, перекрывающих свою соту - область поверхности Земли. Для обеспечения надежности связи расстояние между двумя соседними антеннами должно быть меньше радиуса их действия. В городах оно составляет около 500 м, а в сельской местности около 2-3 км. Мобильный телефон может принимать сигналы сразу от нескольких антенн- ретрансляторов, но настраивается он всегда на самый мощный сигнал.
Идея мобильной сотовой связи заключается еще и в применении компьютерного контроля за телефонным сигналом от абонента, когда он переходит от одной сотовой ячейки к другой. Именно компьютерный контроль позволил в течение всего лишь тысячной доли секунды переключать мобильный телефон с одного промежуточного передатчика на другой. Все происходит так быстро, что абонент просто этого не замечает.
Центральной частью системы сотовой мобильной связи являются компьютеры. Они отыскивают абонента, находящегося в любой из сот и подключают его к телефонной сети. Когда абонент перемещается из одной ячейки в другую, они передают абонента с одной базовой станции на другую.
Важным преимуществом мобильной сотовой связи является возможность пользоваться ею вне общей зоны своего оператора - роуминг. Для этого различные операторы договариваются между собой о взаимной возможности пользования своими зонами для пользователей. При этом пользователь, покидая общую зону своего оператора, автоматически переключается на зоны других операторов даже при перемещении из одной страны в другую, например из России в Германию или во Францию. Либо, находясь в России, пользователь может звонить по сотовой связи в любую страну. Таким образом, сотовая связь обеспечивает пользователю возможность связываться по телефону с любой страной, где бы он ни находился. Ведущие компании-производители сотовых телефонов ориентируются на единый европейский стандарт - GSM.
Диктофон (от лат. dido - говорю, диктую) - это разновидность магнитофона для записи речи в целях, например, последующего печатания ее текста. Диктофоны делятся на механические, в которых в качестве накопителя информации используются стандартные кассеты или микрокассеты с магнитной пленкой, и цифровые.
Цифровые диктофоны отличаются от механических полным отсутствием подвижных деталей. В них в качестве накопителя информации вместо магнитной пленки используется твердотельная флэш-память.
Цифровая фотография позволяет оперативно и без использования дорогостоящих, длительных и вредных для здоровья химических процессов получать в цифровой форме качественные фотографии.
Принцип работы цифровой фотокамеры заключается в том, что ее оптическая система (объектив) проецирует уменьшенное изображение фотографируемого объекта на миниатюрную полупроводниковую матрицу из светочувствительных элементов, так называемый прибор с зарядовой связью ПЗС (CCD). ПЗС-матрица - это аналоговое устройство: электрический ток возникает в пикселе изображения в прямом соотношении с интенсивностью падающего света. Чем выше плотность пикселей в ПЗС-матрице, тем более высокое разрешение будет давать фотокамера. Далее полученный аналоговый сигнал с помощью цифрового процессора преобразуется в оцифрованное изображение, которое сжимается в формат JPEG (или аналогичный ему) и затем записывается в память камеры. Емкостью этой памяти определяется число снимков. В качестве памяти цифровых фотокамер используются различные накопители - дискеты, карточки флэш-памяти, оптические диски CD-RW и др. Запомненные электрические сигналы в виде картинки можно вывести на экран компьютера, телевизора, напечатать на бумаге с помощью принтера или передать по электронной почте в любую страну. Чем больше пикселей содержит ПЗС-матрица, тем больше четкость цифрового фотоизображения. В матрицах современных цифровых фотоаппаратов число пикселей - от 2 млн до 6 млн и более.
Цифровой фотоаппарат снабжен миниатюрным жидкокристаллическим дисплеем, на котором сделанный снимок появляется сразу же после нажатия кнопки. Никакого проявления и закрепления изображения (как в традиционной фотографии) при этом не требуется. Если снимок не понравился, его можно «стереть» и на его место поместить новый. Единственное, что в цифровом фотоаппарате осталось от традиционной фотографии, - это объектив.
В цифровой фотографии полностью исключено использование светочувствительных материалов с солями дефицитного серебра. По сравнению с традиционными, цифровые фотокамеры содержат значительно меньшее количество механических подвижных деталей, что обеспечивает их высокую надежность и долговечность.
Во многих цифровых фотокамерах используются вариообъективы с переменным фокусным расстоянием - трансфокаторы или zoom-объективы), обеспечивающие оптическое (чаще всего трехкратное) увеличение. Это означает, что при фотосъемке можно, не сходя с места, зрительно приблизить или отдалить снимаемый объект, причем это можно делать постепенно. Кроме того, применяется и цифровое увеличение, при котором фрагмент изображения растягивается на весь экран.
Еще одно преимущество цифровых фотокамер - возможность не только делать фотографии, но и снимать короткие видеосюжеты длительностью до нескольких минут. В наиболее совершенных цифровых фотокамерах имеется встроенный микрофон, позволяющий снимать видеосюжеты со звуком.
Введенные в компьютер цифровые фотографии могут быть подвергнуты обработке, например кадрированию (выделению отдельных участков с увеличением), изменению яркости и контрастности, цветового баланса, ретуши и т.д. В компьютере можно создавать альбомы цифровых фотографий, которые можно просматривать либо последовательно, либо в режиме слайд-фильма.
Качество цифровых фотоснимков уже сегодня не уступает качеству обычных. Можно предположить, что в ближайшие годы цифровая фотография полностью вытеснит традиционную.
Видеокамеры позволяют записывать движущееся изображение со звуком. В современных видеокамерах оптическое изображение, так же как в цифровых фотокамерах, преобразуется в электрическое с помощью ПЗС-матрицы. В них также не нужна кинопленка, не требуется проявление и закрепление. Изображение в них записывается на магнитную видеопленку. Однако для записи вдоль магнитной ленты (как это осуществляется при записи звука) потребовалась бы очень высокая скорость ее движения - более 200 км/ч (приблизительно в 10 000 раз большая, чем при записи звука): человек слышит звуки в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц. Качественная запись звука осуществляется в этом диапазоне. Для записи видеоизображения требуются гораздо более высокие частоты - свыше 6 МГц.
Вместо того чтобы увеличивать скорость движения магнитной ленты при записи и воспроизведении изображения, магнитные головки в видеокамере и видеомагнитофоне закреплены на вращающемся с высокой скоростью барабане, а сигналы записываются не вдоль, а поперек ленты. Ось вращения барабана наклонена к ленте, а его магнитная головка при каждом обороте записывает на ленте наклонную строчку. При этом плотность записи значительно увеличивается, а магнитная лента должна двигаться сравнительно медленно - со скоростью всего 2 мм/с. Они записывают цветное изображение и звук (с помощью встроенного микрофона), обладают высочайшей чувствительностью. Измерение яркости изображения, установка диафрагмы и наводка на резкость полностью автоматизированы. Результат видеосъемки можно просмотреть сразу же, ведь никакой проявки пленки (как при киносъемке) не требуется.
Видеокамеры снабжаются высококачественными объективами. В наиболее дорогих видеокамерах используются вариообъективы с переменным фокусным расстоянием, обеспечивающие оптическое 10-кратное увеличение. Это означает, что при видеосъемке можно, не сходя с места, приблизить или отдалить снимаемый объект, причем это можно делать постепенно. Кроме того, применяется и цифровое увеличение до 400 раз и более, при котором фрагмент изображения растягивается на весь экран. Применяется также система стабилизации изображения, которая корректирует дрожание камеры с большой точностью и в широких пределах.
Применение ПЗС-матриц обеспечивает видеокамерам высочайшую чувствительность, дающую возможность снимать почти в полной темноте (при свете костра или свечи).
В видеофильме, как и в звуковом кинофильме, движущееся изображение и звук записываются на один и тот же носитель информации - магнитную видеопленку. Наиболее распространенный бытовой стандарт видеозаписи - домашнее видео (video home system, VHS). Ширина магнитной пленки в этом стандарте - 12,5 мм. Для портативных видеокамер применяется уменьшенная кассета с пленкой той же ширины - VHS Compact.
Фирма Sony разработала и выпускает миниатюрные видеокассеты стандарта Video-S (Ш8). Ширина пленки в них равна 8 мм. Это позволило уменьшить габариты портативных бытовых видеокамер. Наиболее совершенные из них для контроля изображения во время видеосъемки помимо видоискателя снабжены миниатюрным цветным жидкокристаллическим дисплеем. С их помощью можно просмотреть только что отснятый видеофильм прямо на съемочной видеокамере. Другой способ просмотра - на экране телевизора. Для этого выход видеокамеры соединяют со входом телевизора.
Переход на цифровой метод записи позволяет избежать потери качества даже при многократной перезаписи. В 1995 г. консорциум 55 ведущих производителей электроники, в том числе Sony, Philips, Hitachi, Panasonic и JVC, приняли цифровой формат видеозаписи на магнитную пленку DVC (digital video cassette ) или DV (digital video). Уже в конце 1995 г. Sony представила первую DV-видеокамеру. Теперь цифровой видеофильм можно перенести с видеокамеры на винчестер компьютера и обратно непосредственно, без всяких сложных преобразований.
Каждому кадру на магнитной ленте соответствуют 12 наклонных строк-дорожек шириной 10 мкм. На каждой из них, кроме записи аудио- и видеоинформации, часа, минуты, секунды и порядкового номера кадра, есть возможность записать дополнительную информацию о видеосъемке. Все DV-камеры могут работать в режиме фотосъемки и фиксировать отдельные изображения со звуковым сопровождением в течение 6-7 с. Они превращаются в цифровые фотоаппараты с емкостью 500-600 кадров. Создан уже и D V-видеомагнитофон.
Наряду с цифровым форматом DV фирма Sony разработала новую цифровую технологию Digital 8, которая призвана стереть границу между аналоговыми и цифровыми форматами. Она позволяет использовать цифровую запись DV на обычной кассете Ш8, применявшейся для аналоговой записи.
Выпускаются цифровые видеокамеры без видеокассеты. Изображение в них записывается на жесткий съемный диск (винчестер). Записанный в цифровом формате видеофильм можно просмотреть на персональнрм компьютере или преобразовать его в аналоговый сигнал и посмотреть по телевизору. Запись ведется со сжатием информации в формате МРЕв/ЗРЕв, стандартном для компьютеров, поэтому ее можно просматривать и даже редактировать на мониторе персонального компьютера.
В новейших видеокамерах вместо магнитной ленты для записи видеоизображения применены перезаписываемые оптические ЭУО- ИЛУ-диски. Записанный на них диск можно сразу же вставить в БУО-плеер для просмотра. Благодаря малому диаметру диска (8 см) габариты видеокамеры такие же, как и у обычных - с использованием кассет с магнитной пленкой. Время записи на ОУО-диске составляет 30 мин, а в «режиме экономии» - 60 мин с некоторым понижением качества видеоизображения.
Цифровым видеокамерам, фотокамерам, диктофонам без подвижных узлов и деталей принадлежит будущее. Они более надежны, долговечны, легки и миниатюрны, не боятся встрясок при ходьбе, ударов.
Контрольные вопросы
1. Что понимается под аппаратным и программным обеспечениемкомпьютера? 2. Назовите отличительные особенности ПК типа 1ВМ РС. 3. Рассмотрите историю клона 1ВМ РС по типу используемогомикропроцессора. 4. Каковы основные устройства входят в аппаратное обеспечениеПК? 5. Каково назначение системной шины и разъемов расширения ПК? 6. Как связаны быстродействие микропроцессора и быстродействие ПК? 7. Как влияют характеристики МП и памяти на производительность ПК? 8. Объясните назначение адаптеров и контроллеров. 9. Что такое аналого-цифровой (АЦП) и цифроаналоговый (ЦАП)преобразователи? 10. В чем различие между носителями и накопителями информации?}}
- Назовите основные виды носителей и накопителей информациив компьютере. 12. В чем заключается различие между оперативной и долговременной памятью компьютера? 13. Назовите основные типы оптических компакт-дисков. 14. Что такое флэш-память? 15. В чем заключается разница между принтером и плоттером?