|
Реферат: Спутниковые телекоммуникации (Коммуникации и связь)
Доклад
на тему:
«Спутниковая связь»
[pic]
Выполнила:
Проверила:
Оглавление
Введение 2
Системы спутниковой связи 2
VSAT-Станция спутниковой связи 3
Система SCPC 5
TES-система 6
Система PES 7
Описание VSAT-станции 7
Радиочастоты и другие параметры спутникового канала 7
Конструкция и технические характеристики 8
Внешний блок 8
Внутренний блок 10
Спутниковый Шлюз 10
Соединение по ISDN, интерфейс S0 10
Высокоскоростной выход на INTERNET и другие сети передачи данных 10
Введение
Современные организации характеризуются большим объемом различной
информации, в основном электронной и телекоммуникационной, которая проходит
через них каждый день. Поэтому важно иметь высококачественный выход на
коммутационные узлы, которые обеспечивают выход на все важные
коммуникационные линии. В России, где расстояния между населенными пунктами
огромное, а качество наземных линий оставляет желать лучшего, оптимальным
решением этого вопроса является применение систем спутниковой связи (ССС).
На сегодняшний день существует большое количество ССС, основанных на
различных спутниковых системах, различных принципах и предназначенных для
различных применений.
Системы спутниковой связи
Спутниковые системы связи (ССC) известны давно, и используются для
передачи различных сигналов на протяженные расстояния. С момента своего
появления спутниковая связь стремительно развивалась, и по мере накопления
опыта, совершенствования аппаратуры, развития методов передачи сигналов
произошел переход от отдельных линий спутниковой связи к локальным и
глобальным системам.
Такие темпы развития ССC объясняются рядом достоинств которыми они
обладают. К ним, в частности, относятся большая пропускная способность,
неограниченные перекрываемые пространства, высокое качество и надежность
каналов связи. Эти достоинства, которые определяют широкие возможности
спутниковой связи, делают ее уникальным и эффективным средством связи.
Спутниковая связь в настоящее время является основным видом международной и
национальной связи на большие и средние расстояния. Использование
искусственных спутников Земли для организации связи продолжает расширяться
по мере развития существующих сетей связи. Многие страны создают
собственные национальные сети спутниковой связи.
Все системы можно разделить на системы двух видов: работающие через
спутники на негеостационарных и геостационарных орбитах.
Негеостационарные спутники используются в основном для военных,
научных и метеорологических исследований. Их главная особенность -
невозможность поддержания круглосуточной связи с ЗС. Однако, перемещаясь по
заданной орбите относительно поверхности Земли, они могут собирать данные с
большой площади земной поверхности.
Геостационарные спутники выводятся на такую орбиту в плоскости
экватора, при которой их угловая скорость совпадает со скоростью вращения
Земли вокруг своей оси. Высота над поверхностью Земли, где выполняются
условия постоянства скоростей и равенства центробежной и гравитационной
сил, составляет 36 тысяч километров. Теоретически, один расположенный таким
образом спутник может обеспечить качественную связь для трети земной
поверхности. В действительности обслуживаемые территории существенно
меньше. Особенностью спутников на геостационарных орбитах является
значительная временная задержка (порядка 240 мс) в спутниковом канале,
вызванная необходимостью два раза преодолевать расстояние в 36 тысяч
километров от ЗС до спутника.
Мы будем рассматривать системы, где применяются спутники связи,
обращающиеся на орбитах синхронно с вращением Земли. Это позволяет
существенно упростить систему связи. В этом случае каждая земная станция
работает непрерывно с одним и тем же спутником связи. Ранее, при
использовании не синхронных спутников, существовала необходимость
периодического переключения антенной системы каждой земной станции с одного
спутника на другой, что естественно вызывало перерывы связи. К тому же,
значительную часть стоимости ЗС составляла не очень надежная аппаратура
слежения. Использование стационарных спутников связи обеспечивает
бесперебойную связь, но требует дополнительного запаса рабочего тела для
проведения многократных коррекцией орбиты ИСЗ. Считается, что этот
дополнительный запас рабочего тела для коррекции орбиты является
сравнительно небольшой платой за простоту эксплуатации системы и отсутствие
перерывов связи. Земные станции при использовании стационарных спутников
упрощаются за счет отказа от сложной и дорогой системы слежения.
Спутниковые системы связи могут различаться также и типом
передаваемого сигнала, который может быть цифровым или аналоговым. Передача
информации в цифровой форме обладает рядом преимуществ по сравнению с
другими методами передачи. К ним относятся:
1. простота и эффективность объединения многих независимых сигналов и
преобразования цифровых сообщений в “пакеты” для удобства
коммутации;
2. меньшие энергозатраты по сравнению с передачей аналогового сигнала;
3. относительная нечувствительность цифровых каналов к эффекту
накопления искажений при ретрансляциях, обычно представляющему
серьезную проблему в аналоговых системах связи;
4. потенциальная возможность получения очень малых вероятностей ошибок
передачи и достижения высокой верности воспроизведения переданных
данных путем обнаружения и исправления ошибок;
5. конфиденциальность связи;
6. гибкость реализации цифровой аппаратуры, допускающая использование
микропроцессоров, цифровую коммутацию и применение микросхем с
большей степенью интеграции компонентов.
VSAT-Станция спутниковой связи
VSAT[1]-станция - станция спутниковой связи с антенной малого
диаметра, порядка 1.8 ... 2.4 м. VSAT-станция используются для обмена
информацией между наземными пунктами, а также в системах сбора и
распределения данных. ССС с сетью земных станций типа VSAT обеспечивают
телефонную связь с цифровой передачей речи, а также передачу цифровой
информации.
К станциям спутниковой связи типа VSAT относятся станции спутниковой
связи, обладающие определенными характеристиками, описанными в
Рекомендациях №№ 725-729 ММКР.
При передаче телефонного трафика спутниковые системы образуют
групповые тракты (совокупность технических средств, обеспечивающих
прохождение группового сигнала, т.е. несколько телефонных подканалов
объединяются в один спутниковый) и каналы передачи (совокупность средств,
обеспечивающих переду сигналов от одной точки в другую). Каналы и групповые
тракты ССС широко используются на участках магистральной и внутризоновой
телефонных сетей, в ряде случаев на местных линиях связи ССС позволяют:
организовать прямые закрепленные каналы и тракты между любыми пунктами
связи в зоне обслуживания ИСЗ, а также работать в режиме
незакрепленных каналов, при котором спутниковые каналы и тракты могут
оперативно переключаться с одних направлений на другие при изменении
потребностей трафика на сети, а также использоваться наиболее
эффективно - полнодоступными пучками.
К настоящему времени создано несколько ССС с использованием VSAT.
Одной из типичных систем такого рода является система, организованная на
базе геостационарных спутников. VSAT, работающие в составе данной системы,
установлены в ряде стран, в том числе и в России.
Привлекательной особенностью станций VSAT является возможность их
размещения в непосредственной близости от пользователей, которые благодаря
этому могут обходиться без наземных линий связи. Вообще станциями VSAT
называются станции, обладающие определенными характеристиками, описанными в
рекомендациях 725-729 ММКР.
Кроме систем с закрепленным каналом, эффективных при постоянной
передаче информации на высоких скоростях (10 кбит/сек и более), существуют
системы, использующие временное, частотное, кодовое или комбинированное
разделение канала между многими абонентскими ЗС.
Еще одним параметром, позволяющим классифицировать ССС, является
использование протокола. Первые спутниковые системы были беспротокольными и
предлагали пользователю прозрачный канал. Недостатком таких систем
являлась, например, передача информации пользователя без, как правило,
подтверждения ее доставки принимающей стороной. Иначе говоря, в подобных
системах не оговорены правила диалога между участниками обмена информацией.
В этом случае качество ССС определяется качеством спутникового канала. При
типичных значениях вероятности ошибки на символ в пределах 10-6..10-7
передача больших файлов через спутниковые системы, даже с использованием
различных помехоустойчивых кодов затруднена, если не сказать, что
невозможна. Современные ССС используют протокол, повышающий надежность
связи при сохранении высокой скорости обмена информацией между абонентами.
Так, например, для рассматриваемой ниже системы передачи данных типа PES™
(Personal Earth Station - персональная земная станция) вероятность ошибки
на символ не превышает 10-9 для 99% времени связи.
В настоящее время в России сетей и земных станций типа VSAT в строгом
их понимании пока мало, но их число будет расти, так как наша страна,
наряду с большой протяженностью, обладает плохо развитой инфраструктурой
связи, особенно на периферии.
При выборе столь сложной аппаратуры, следует обращать внимание на
многие факторы, одним из важнейших является то, насколько распространена
аппаратура данного типа в мире, сколько времени на рынке существует фирма,
занимающаяся разработкой подобной техники. Это позволит гарантировать
надежность работы системы, обеспечить связь с другими системами.
Система SCPC
[pic]
Схема работы SCPC-системы
В России и в Европе существуют сети VSAT-станций, работающих на принципе
SCPC. Стандартный вариант связи SCPC где используется связь по принципу
“point-to-point”(“точка-точка”) - это две VSAT-станции, соединенные
спутниковым каналом и расположенные у пользователей. При наличии такого
канала пользователи могут устанавливать связь друг с другом в любой момент.
Чаще приходится иметь дело с конфигурацией сети типа “звезда” (принцип
“центр с каждым”), когда имеется одна станция в головном офисе (отделении,
представительстве и т.п.) и несколько станций в удаленных отделениях,
филиалах. При использовании данной схемы возможна организация потоков
цифровой информации со скоростью от 32 кбит/сек до 8 Мбит/с и обеспечение
телефонной, телефаксной связи между центром и периферией. Данная система
открывает возможность выхода через спутниковые станции на международный
телепорт в Берлине и далее в любую страну мира. Кроме этого возможно
получение прямого московского номера и через телепорт в Москве возможно
ведение телефонных переговоров по странам бывшего СССР. В целом следует
отметить, что SCPC-система является очень мощной альтернативой арендованных
некоммутируемых каналов, ведомственных линий и т.п. Весьма привлекательна
она как средство передачи больших объемов информации с высокой скоростью.
Вследствие использования спутниковых цифровых каналов, она является
некритичной к дальности и помехозащищенной.
[pic]
Схема работы TES-системы
TES-система
TES-система предназначена для обмена телефонной и цифровой информацией в
сетях, что построены по принципу “mesh” (“каждый с каждым”) или, другими
словами, в сетях с полным доступом. Это означает, что возможна телефонная
связь между любыми двумя абонентами сети, кроме этого абонентам
обеспечивается выход в международную сеть общего пользования через телепорт
(Gateway) в Берлине. В простейшей конфигурации обеспечивается связь по
одному телефонному или факсимильному каналу. Абоненту предоставляется
дополнительная возможность организации передачи цифровой информации между
двумя станциями, входящими в сеть. Сеть работает по принципу DAMA - когда
абонент не имеет жестко закрепленного за ним спутникового канала, а этот
канал предоставляется ему по первому требованию, причем с высокой (более
99%) вероятностью. Этот способ позволяет уменьшить число арендуемых
спутниковых каналов и обеспечить приемлемые цены для абонентов. В целом,
использование именно TES-системы является самым оперативным и действенным
способом доступа в международную телефонную сеть, а также хорошим средством
связи с теми областями, которые обладают либо неразвитой инфраструктурой
связи, либо вообще не имеют таковой.
Система PES
[pic]
Структура PES-системы
Система персональных земных станций (Personal Earth Station) PES™-
спутниковая диалоговая пакетно-коммутируемая сеть, предназначенная для
обмена телефонной и цифровой информацией в рамках ССС с топологией типа
"звезда", с возможностью полного дуплекса. Система располагает крупной и
дорогой центральной станцией (HUB station) и многими небольшими и
недорогими периферийными станциями PES или remote. Большая эффективная
излучаемая мощность и высокое качество приема центральной станции делает
возможным применение на PES малых антенн диаметром 0,5-1,8 м и маломощных
передатчиков мощностью 0,5-2 Вт. Это значительно снижает стоимость
абонентской ЗС. В отличие от других вышеназванных систем, в этой передача
информации всегда идет через HUB. С точки зрения энергетики системы и ее
стоимости (соответственно и стоимости предлагаемых услуг) оптимально
расположение центральной ЗС в центре зоны освещения спутника. Например в
сети, работающей через спутник INTELSAT-604, центральная ЗС расположена в
Москве.
Описание VSAT-станции
Стандартный вариант связи SCPC (связь по топологии “точка-точка”) -
это две VSAT-станции, расположенные у в двух пунктах, и соединяются через
спутник. Канал связи жестко закреплен за пользователем.
Радиочастоты и другие параметры спутникового канала
Станции спутниковой связи работают обычно в 2 диапазонах С (прием 4 ГГц,
передача 6 ГГц) и Кu-диапазоне (прием 11 ГГц, передача 14 ГГц).
Так как передача идет в цифровом виде то используется фазовая модуляция.
Так как, чем уже занимаемая полоса, тем меньше используется ресурс
спутника, то применяется модуляция QPSK[2], которая эффективнее в 1.5 раза
модуляции BPSK[3], т.е. в один и тот же период времени при всех остальных
равных условиях с помощью QPSK передается в 1.5 раза больше информации, чем
с использованием BPSK.
Для увеличения надежности приема передаваемого сигнала, требуемая по
стандарту SSOG-309 величина ошибок BER[4]1(10-8, применяются различные
методы помехозащитного кодирования. Одним из таких методов является метод
прямого исправления ошибок (FEC[5]), при этом методе сообщение делится на
некоторые кванты и отдельные кванты передаются повторно.
Конструкция и технические характеристики
Спутниковая станция типа VSAT по конструктивному признаку состоит из
высокочастотного (ODU[6]) и низкочастотного (IDU[7]) модуля. ODU, состоящий
из антенны и приемопередатчика, размещается вне здания, в котором
устанавливается IDU, состоящий из модема и мультиплексора (каналообразующей
аппаратуры).
Стaндapный вapиaнт комплектaции включaет параболическую aнтенну
небольшого диаметpa и пpиемопеpедaтчик. В зaвисимости от местоpaсположения
спутниковой стaнции по отношению к центpу зоны освещения спутникa и
скоpости пеpедaчи в кaнaле используются более мощные передатчики или
антенны большего диаметра. В помещении устанавливается модем и
мультиплексор.
ODU и IDU соединены между собой радиочастотными (RF[8]) кабелями. По
ним идет сигнал промежуточной частоты (IF[9]). IF используемая бывает 70
или 140 МГц.
По функциональному назначению VSAT-станция делится на базовый
комплект, который обеспечивает передачу самого канала и дополнительное
оборудование, которое обеспечивает мультиплексирование этого канала.
Внешний блок
Внешний, или как его иногда называют высокочастотный блок, состоит из
антенны и приемопередающего блока, который устанавливается на этой антенне.
Приемопередающий блок обеспечивает преобразование низкочастотного сигнала,
его усиление и передачу “вверх”, а также прием высокочастотного сигнала со
спутника его преобразование в низкочастотный и передачу к внутреннему
блоку.
Антенна
Однозеркальная антенна обычно выполняется по схеме офсет (со смещенным
центром). Схема офсет позволяет снизить уровень боковых лепестков идущих
параллельно земли и дающих максимальные помехи. Также данная схема
позволяет избежать накопления атмосферных осадков на поверхности
рефлектора.
Антенна состоит из:
1. рефлектора (зеркала),
2. системы облучения,
3. опорно-поворотного основания (ОПУ).
[pic]
Внешний блок (антенна и приемопередатчик)
Приемопередающий блок
Основной терминал состоит из:
4. СВЧ блока преобразования частот
5. усилителя мощности (SSPA[10] или TWT[11]),
6. малошумящего конвертора (LNC),
7. блока электропитания (PS[12])
8. соединительных кабелей.
Функция приемопередатчика заключается в преобразовании, после модулятора,
сигнала IF, на конверторе вверх, в RF сигнал для передачи через антенну и в
преобразовании полученного RF сигнала в сигнал IF, на конверторе вниз, для
блока, используемого как демодулятор.
Внутренний блок
Внутренний блок представляет собой 19” стойку с установленными в ней
спутниковым модемом и мультиплексором. Иногда в стойке устанавливается и
дополнительное оборудование сумматоры, вентиляторы, UPS[13] и т.п. UPS
может устанавливаться и вне стойки, отдельно.
Спутниковый модем
Спутниковый модем, в части модулятора предназначен для кодирования
передаваемого цифрового потока, пришедшего из мультиплексора, модулирования
сигнала по IF, необходимого усиления и передачи сигнала на внешний блок. И
приема сигнала IF из внешнего блока, усиления его, демодулирование в
цифровой сигнал, декодирование и передачу в мультиплексор, в части
демодулятора.
Мультиплексор
Мультиплексор предназначен для мультиплексирования голосовой, факсимильной
информации и передаваемых данных. Мультиплексор позволяет скомбинировать
ежедневные телефонные и факсимильные сообщения с синхронной и асинхронной
передачей данных в один канал, предаваемый по локальным сетям, наземным или
спутниковым линиям. Это позволяет снизить телекоммуникационные затраты
путем увеличения возможностей передачи важной информации и одновременного
уменьшения пропускной способности канала.
Спутниковый Шлюз
Для выхода на сети наземных телекоммуникаций используются спутниковые шлюзы
(большие станции к которым подключены через спутник VSAT-станции).
Шлюз может обеспечивать обеспечивает:
1. выход на телефонные сети;
2. услуги междугородной связи с выходом на сеть общего пользования;
3. услуги международной телефонной связи;
4. выход на специальные телефонные сети, например "Искра-2";
5. выход на сети передачи данных (РОСНЕТ, INTERNET, RELCOM и др.);
6. возможность аренды наземного канала до любой точки в г.Москве:
7. возможность аренды высокоскоростного наземного канала до любой “М”:
Соединение по ISDN, интерфейс S0
В последнее время в большинстве современных и проектируемых системах
находит применение стандарт ISDN. Существуют глобальные сети, в которых
этот стандарт взят за основу, например EuroISDN. ISDN в глобальных сетях
применяется и в России.
Высокоскоростной выход на INTERNET и другие сети передачи данных
Шлюз позволяет обеспечить высокоскоростной выход на INTERNET, до 2
Мбит/сек. В данном варианте возможно получить доступ ко всем услугам
INTERNET (WWW, TelNet, E-mail, FTP и др.).
Все описанное выше, также относится и к другим глобальным сетям передачи
данных.
-----------------------
[1]Very Small Aperture Terminal
[2]QuadriPhase Shift Keying – квадратичная манипуляция
[3]Binary Phase Shift Keying – двоичная манипуляция
[4]Bit Error Rate – вероятность ошибки
[5]Forward Error Corect
[6]OutDoor Unit – внешний модуль
[7]InDoor Unit – внутренний модуль
[8]Radio Frequence
[9]Intermedia Frequence
[10]Solid-State Power Amplifier – твердокристалический усилитель
[11]Traveling Wave Tube – лампа бегущей волны (ЛБВ).
[12]Power Supply – блок питания.
[13]Uninterruptable Power Supply – блок бесперебойного питания.
Реферат на тему: Средства мультимедиа
Мордовский государственный университет
имени Н.П. Огарева
Историко-социологический институт
Кафедра экономической истории
и информационных технологий
РЕФЕРАТ
СРЕДСТВА МУЛЬТИМЕДИА
Выполнил: студент 404 группы
специальности “Регионоведения”
Якушкин А.И.
Проверила: Газина Г.М.
Саранск – 2002
Содержание:
Введение…………………………………………………………………3
1. Видео…………………………………………………………………….4
2. Аудио…………………………………………………………………….7
3. Носители информации………………………………..…….…10
Список использованных источников………………..…….….14
ВВЕДЕНИЕ
Мультимедиа — это интерактивные системы, обеспечивающие работу с
неподвижными изображениями и движущимся видео, анимированной компьютерной
графикой и текстом, речью и высококачественным звуком.
Появление систем мультимедиа, безусловно, производит революционные
изменения в таких областях, как образование, компьютерный тренинг, во
многих сферах профессиональной деятельности, науки, искусства, в
компьютерных играх и т.д.
Появление систем мультимедиа подготовлено как с требованиями практики,
так и с развитием теории. Однако, резкий рывок в этом направлении,
произошедший в этом направлении за последние несколько лет, обеспечен
прежде всего развитием технических и системных средств. Это и прогресс в
развитии ПЭВМ: резко возросшие объем памяти, быстродействие, графические
возможности, характеристики внешней памяти, и достижения в области
видеотехники, лазерных дисков — аналоговых и CD-ROM, а также их массовое
внедрение. Важную роль сыграла так же разработка методов быстрого и
эффективного сжатия и развертки данных.
Современный мультимедиа–ПК в полном “вооружении” напоминает домашний
стереофонический Hi–Fi комплекс, объединенный с дисплеем–телевизором. Он
укомплектован активными стереофоническими колонками, микрофоном и
дисководом для оптических компакт–дисков CD–ROM (CD — Compact Disc,
компакт–диск; ROM — Read only Memory, память только для считывания). Кроме
того, внутри компьютера укрыто новое для ПК устройство — аудиоадаптер,
позволивший перейти к прослушиванию чистых стереофонических звуков через
акустические колонки с встроенными усилителями.
ВИДЕО
При смешении сигналов основные проблемы возникают с видео–изображением.
Различные ТВ–стандарты, существующие в мире (NTSC, PAL, SECAM), применение
разных мониторов и видеоконтроллеров диктует разнообразие подходов в
разрешении возникающих проблем. Однако в любом случае требуется
синхронизация двух изображений, для чего служит устройство генлок
(genlock). С его помощью на экране монитора могут быть совмещены
изображение, сгенерированное компьютером (анимированная или неподвижная
графика, текст, титры), и “живое” видео. Если добавить еще одно устройство
— кодер (encoder), компьютерное изображение может быть преобразовано в
форму ТВ–сигнала и записано на видеопленку. "Настольные видео–студии”,
являющиеся одним из примеров применения систем мультимедиа, позволяют
готовить совмещенные видео–компьютерные клипы, титры для видеофильмов,
помогают при монтаже кинофильмов.
Системы такого рода не позволяют как-то обрабатывать или редактировать
само аналоговое изображение. Для того, чтобы это стало возможным, его
необходимо оцифровать и ввести в память компьютера. Для этого служат так
называемые платы захвата (capture board, frame grabbers). Оцифровка
аналоговых сигналов порождает огромные массивы данных. Так, кадр стандарта
NTSC (525 строк), преобразованный платой типа Truevision, превращается в
компьютерное изображение с разрешением 512x482 пиксель. Если каждая точка
представлена 8 битами, то для хранения всей картинки требуется около 250
Кбайт памяти, причем падает качество изображения, так как обеспечивается
только 256 различных цветов. Считается, что для адекватной передачи
исходного изображения требуется 16 млн. оттенков, поэтому используется 24-
битовый формат хранения цветной картинки, а необходимый размер памяти
возрастает. Оцифрованный кадр может затем быть изменен, отредактирован
обычным графическим редактором, могут быть убраны или добавлены детали,
изменены цвета, масштабы, добавлены спецэффекты, типа мозаики, инверсии и
т.д.
Запись последовательности кадров в цифровом виде требует от компьютера
больших объемов внешней памяти: частота кадров в американском ТВ–стандарте
NTSC — 30 кадров/с (PAL, SECAM — 25 кадров/с), так что для запоминания
одной секунды полноцветного полноэкранного видео требуется 20–30 Мбайт, а
оптический диск емкостью 600 Мбайт вместит менее полминуты изображения. Но
последовательность кадров недостаточно только запомнить, ее надо еще
вывести на экран в соответствующем темпе. Подобной скоростью передачи
информации — около 30 Мбайт / с — не обладает ни одно из существующих
внешних запоминающих устройств. Чтобы выводить на экран компьютера
оцифрованное видео, приходится идти на уменьшение объема передаваемых
данных, (вывод уменьшенного изображения в небольшом окне, снижение частоты
кадровой развертки до 10–15 кадров / с, уменьшение числа бит / пиксель),
что, в свою очередь приводит к ухудшению качества изображения.
Более радикально обе проблемы — памяти и пропускной способности —
решаются с помощью методов сжатия и развертки данных, которые позволяют
сжимать информацию перед записью на внешнее устройство, а затем считывать и
разворачивать в реальном режиме времени при выводе на экран. Так, для
движущихся видео–изображений существующие адаптивные разностные алгоритмы
могут сжимать данные с коэффициентом порядка 100:1— 160:1, что позволяет
разместить на CD–ROM около часа полноценного озвученного видео.
Существует симметричная и асимметричная схемы сжатия данных. При
асимметричной схеме информация сжимается в автономном режиме (т.е. одна
секунда исходного видео сжимается в течение нескольких секунд или даже
минут мощными параллельными компьютерами и помещается на внешний носитель,
например CD–ROM. На машинах пользователей устанавливаются сравнительно
дешевые платы декодирования, обеспечивающие воспроизведение информации
мультимедиа в реальном времени. Использование такой схемы увеличивает
коэффициент сжатия, улучшает качество изображения, однако пользователь
лишен возможности разрабатывать собственные продукты мультимедиа. При
симметричной схеме сжатие и развертка происходят в реальном времени на
машине пользователя, благодаря чему за персональными компьютерами и в этом
случае сохраняется их основополагающее достоинство: с их помощью любой
пользователь имеет возможность производить собственную продукцию, в том
числе и коммерческую, не выходя из дома. Правда, при симметричной схеме
несколько падает качество изображения: появляются “смазанные” цвета,
картинка как бы расфокусируется. С развитием технологии эта проблема
постепенно уходит, однако пока иногда предпочитают смешанную схему, при
которой разработчик продукта готовит, отлаживает и испытывает продукт
мультимедиа на своей машине с симметричной схемой, а затем “полуфабрикат” в
стандартном формате отсылается на фирму, где его подвергают сжатию на
мощном компьютере, с использованием более совершенных алгоритмов и помещают
результирующий продукт на CD–ROM.
В настоящее время целый ряд фирм активно ведет разработку алгоритмов
сжатия видеоинформации, стремясь достичь коэффициента сжатия порядка 200:1
и выше. В основе наиболее эффективных алгоритмов лежат различные адаптивные
варианты: DCT (Discrete Cosine Transform, дискретное
косинус–преобразование), DPCM (Differential Pulse Code Modulation,
разностная импульсно–кодовая модуляция), а также фрактальные методы.
Алгоритмы реализуются аппаратно — в виде специальных микросхем, или
“firmware” — записанной в ПЗУ программы, либо чисто программно.
Разностные алгоритмы сжатия применимы не только к видео–изображениям,
но и к компьютерной графике, что дает возможность применять на обычных
персональных компьютерах новый для них вид анимации, а именно покадровую
запись рисованных мультфильмов большой продолжительности. Эти мультфильмы
могут хранится на диске, а при воспроизведении считываться, распаковываться
и выдаваться на экран в реальном времени, обеспечивая те же необходимые для
плавного изображения 25–30 кадров в секунду.
При использовании специальных видео–адаптеров (видеобластеров)
мультимедиа–ПК становятся центром бытовой видео–системы, конкурирующей с
самым совершенным телевизором.
Новейшие видеоадаптеры имеют средства связи с источниками телевизионных
сигналов и встроенные системы захвата кадра (компрессии / декомпрессии
видеосигналов) в реальном масштабе времени, т.е. практически мгновенно.
Видеоадаптеры имеют быструю видеопамять от 2 до 4 Мбайт и специальные
графические ускорители процессоры. Это позволяет получать до 30–50 кадров в
секунду и обеспечить вывод подвижных полноэкранных изображений.
АУДИО
Любой мультимедиа–ПК имеет в своем составе плату–аудиоадаптер. Для чего
она нужна? С легкой руки фирмы Creative Labs (Сингапур), назвавшей свои
первые аудиоадаптеры звонким словом Sound Blaster, эти устройства часто
именуются “саундбластерами”. Аудиоадаптер дал компьютеру не только
стереофоническое звучание, но и возможность записи на внешние носители
звуковых сигналов. Как уже было сказано ранее, дисковые накопители ПК
совсем не подходят для записи обычных (аналоговых) звуковых сигналов, так
как рассчитаны для записи только цифровых сигналов, которые практически не
искажаются при их передаче по линиям связи.
Аудиоадаптер имеет аналого–цифровой преобразователь (АЦП), периодически
определяющий уровень звукового сигнала и превращающий этот отсчет в
цифровой код. Он и записывается на внешний носитель уже как цифровой
сигнал.
Цифровые выборки реального звукового сигнала хранятся в памяти
компьютера (например, в виде WAV–файлов). Считанный с диска цифровой сигнал
подается на цифро–аналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует
цифровые сигналы в аналоговые. После фильтрации их можно усилить и подать
на акустические колонки для воспроизведения. Важными параметрами
аудиоадаптера являются частота квантования звуковых сигналов и разрядность
квантования.
Частоты квантования показывают, сколько раз в секунду берутся выборки
сигнала для преобразования в цифровой код. Обычно они лежат в пределах от
4–5 КГц до 45–48 КГц.
Разрядность квантования характеризует число ступеней квантования и
изменяется степенью числа 2. Так, 8–разрядные аудиоадаптеры имеют 28=256
степеней, что явно недостаточно для высококачественного кодирования
звуковых сигналов. Поэтому сейчас применяются в основном 16-разрядные
аудиоадаптеры, имеющие 216 =65536 ступеней квантования — как у звукового
компакт–диска.
Другой способ воспроизведения звука заключается в его синтезе. При
поступлении на синтезатор некоторой управляющей информации по ней
формируется соответствующий выходной сигнал. Современные аудиоадаптеры
синтезируют музыкальные звуки двумя способами: методом частотной модуляции
FM (Frequency Modulation) и с помощью волнового синтеза (выбирая звуки из
таблицы звуков, Wave Table). Второй способ обеспечивает более натуральное
звучание.
Частотный синтез (FM) появился в 1974 году (PC–Speaker). В 1985 году
появился AdLib, который, используя частотную модуляцию, был способен играть
музыку. Новая звуковая карта SoundBlaster уже могла записывать и
воспроизводить звук. Стандартный FM–синтез имеет средние звуковые
характеристики, поэтому на картах устанавливаются сложные системы фильтров
против возможных звуковых помех.
Суть технологии WT–синтеза состоит в следующем. На самой звуковой карте
устанавливается модуль ПЗУ с “зашитыми” в него образцами звучания настоящих
музыкальных инструментов — сэмплами, а WT–процессор с помощью специальных
алгоритмов даже по одному тону инструмента воспроизводит все его остальные
звуки. Кроме того многие производители оснащают свои звуковые карты
модуляторами ОЗУ, так что есть возможность не только записывать
произвольные сэмплы, но и подгружать новые инструменты.
Кстати, управляющие команды для синтеза звука могут поступать на
звуковую карту не только от компьютера, но и от другого, например, MIDI
(Musical Instruments Digital Interface) устройства. Собственно MIDI
определяет протокол передачи команд по стандартному интерфейсу.
MIDI–сообщение содержит ссылки на ноты, а не запись музыки как таковой. В
частности, когда звуковая карта получает подобное сообщение, оно
расшифровывается (какие ноты каких инструментов должны звучать) и
отрабатывается на синтезаторе. В свою очередь компьютер может через MIDI
управлять различными “интеллектуальными” музыкальными инструментами с
соответствующим интерфейсом.
Для электронных синтезаторов обычно указывается число одновременно
звучащих инструментов и их общее число (от 20 до 32). Также важна и
программная совместимость аудиоадаптера с типовыми звуковыми платформами
(SoundBlaster, Roland, AdLib, Microsoft Sound System, Gravis Ultrasound и
др.).
В новейшие звуковые карты входит цифровой сигнальный процессор DSP
(Digital Signal Processor) или расширенный сигнальный процессор ASP
(Advanced Signal Processor). Они используют совершенные алгоритмы для
цифровой компрессии и декомпрессии звуковых сигналов, для расширения базы
стереозвука, создания эха и обеспечения объемного (квадрофонического)
звучания. Программа поддержки ASP Q Sound поставляется бесплатно фирмой
Intel на CD-ROM “Software Developer CD”. Важно отметить, что процессор ASP
используется при обычных двухканальных стереофонических записи и
воспроизведении звука. Его применение не загружает акустические тракты
мультимедиа компьютеров.
НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ
Важной проблемой мультимедиа является обеспечение адекватных средств
доставки, распространения мультимедиа–информации. Носители должны вмещать
огромные объемы разнородной информации, позволять быстрый доступ к
отдельным ее компонентам, качественное их воспроизведение, и при этом быть
достаточно дешевым, компактным и надежным. Эта проблема получила достойное
решение лишь с появлением оптических дисков различных типов. В первых
системах мультимедиа были использованы аналоговые диски - их обычно
называют “видеодисками”. Диаметр этих дисков 12 или 8 дюймов. Известны
12–дюймовые диски стандарта LV (Laser Vision), поддерживаемого Sony,
Philips и Pioneer.
Информация записывается на лазерный диск по спирали, каждый виток этой
спирали называется дорожкой. Существуют 2 способа записи информации на
лазерные диски — CAV (Constant Angular Velocity, с постоянной угловой
скоростью) и CLV (Constant Linear Velocity, с постоянной линейной
скоростью). При записи CLV диски вмещают по 1 часу видео на каждой из
сторон (диски CLV называют также “долгоиграющими”), однако их интерактивные
возможности ограничены, поэтому они в системах мультимедиа используются
редко, чаще применяются при записи фильмов.
Диск CAV вмещает на каждой дорожке один видеокадр (точнее, два
полукадра, содержащие четные и нечетные строки кадра — телевизор работает в
интерлейсном режиме, попеременно высвечивая четные и нечетные строки
каждого кадра). Диск вращается с постоянной скоростью 30 об / с,
обеспечивая необходимые для NTSC 30 кадров / с. Каждая из сторон диска
имеет 54000 дорожек, т.е. вмещает 30 минут видео NTSC (диски для PAL — 37
минут). Каждый кадр имеет свой номер, или адрес, по номеру возможен прямой
доступ к любому кадру. Кадры могут трактоваться как неподвижные изображения
— для этого после завершения считывания дорожки устройство не переходит на
следующую, а вновь считывает ту же самую); возможно также проигрывание с
разными скоростями и в обратном направлении. Вместе с изображением
записываются две звуковые дорожки, доступные, впрочем, только при просмотре
кадров в режиме видео. Информацию на диске можно разбить на “части” — до 80
частей на каждой из сторон. Управляющая информация — номера кадров, номера
частей — помещается в “бланковых” (невидимых) частях кадров.
Промежуточный, “аналого–цифровой” формат лазерных дисков — LVROM, или
AIV (Advanced Interactive Video, улучшенное интерактивное видео) —
позволяет сочетать на одном диске аналоговое видео с цифровым звуком и
данными.
Наконец, существуют разные типы чисто цифровых дисков: CD–ROM, WORM,
стираемые. CD–ROM, как и цифровые аудио–компакт–диски CD–DA (Compact Disc —
Digital Audio) имеют диаметр 5.25 дюйма; они вмещают 500–600 Мбайт
информации и являются сейчас наиболее массовым цифровым средством доставки
мультимедиа–информации.
CD–ROM диск — кружок из прозрачной пластмассы, поликарбоната, на одной
из поверхностей которого нанесен тонкий светоотражающий слой. Этот
серебристый слой хорошо виден с тыльной стороны прозрачного диска. В нем
имеются микроскопические углубления - питы, созданные в процессе его
копирования с оригинала.
Типичная длина пита 0.8 – 3.2 мкм, ширина 0.4 мкм, глубина 0.12 мкм, а
расстояние между отдельными дорожками 1.6 мкм. На одном дюйме (2.54 см)
поверхности диска размещается 16 тыс. дорожек (для сравнения — на одном
дюйме магнитного диска помещается только 96 дорожек). Благодаря столь малым
размерам битов обычный CD–ROM вмещает огромный объем информации — порядка
700 Мбайт. Новые типы дисков имеют на порядок больший объем и допускают
запись информации пользователем.
Рабочей является только одна поверхность диска CD–ROM. Она защищена
толстым слоем лака, на который обычно наносится красочная этикетка. В
проигрывателе диск обращен этой стороной наружу. Противоположная (тыльная)
сторона используется для считывания лазерным лучом. Луч проходит сквозь
нее, так как основа диска — прозрачная пластмасса. Толщина диска 1.2 мм,
внешний диаметр 120 мм, диаметр внутреннего отверстия 15 мм.
В проигрывателе имеется электродвигатель со следящей системой,
обеспечивающей точное считывание дорожки лазерным лучом и неизменную
линейную скорость считывания. Поэтому скорость вращения диска непостоянна и
изменяется от 500 об. / мин. для внутренней части диска, с которой
начинается считывание, до 200 об. / мин. для внешней. Специальный
оптико–электронный блок имеет устройства для стабилизации излучения лазера,
автоматической фокусировки, слежения за дорожкой при биении диска и выбора
треков диска для считывания.
Для считывания информации с CD–ROM используется полупроводниковый диод
с фокусирующей и следящей оптической системой. Внутренняя поверхность
диска, на которую кладут диск на подставку (в кассету) дисковода, находится
не в фокусе оптической системы лазерного излучателя. Диаметр светового
пятна от лазера, создающего сходящийся конус света, порядка 1 мм. Поэтому
умеренные загрязнения нерабочей поверхности, например, пылинки на ней,
отпечатки пальцев и даже небольшие царапины практически не влияют на
воспроизведение. В отличие от привычных жестких магнитных дисков, диски
CD–ROM можно заменять в считанные секунды. А ведь один диск CD–ROM по
емкости равен примерно 500–м обычным гибким дискам формата 3.5“ на 1.44
Мбайт. Экономия на дискетах является немаловажным достоинством мультимедиа.
Проигрыватели компьютерных компакт–дисков, обычно называемые
CD–ROM–драйвами, бывают двух типов: внешние (со своим корпусом) и
внутренние — встраиваемые в системный блок компьютера. Последние напоминают
накопители на гибких магнитных 5.25–дюймовых дискетах и имеют одинаковые с
ним размеры.
На передней панели дисковода CD–ROM обычно имеется кнопка Eject для
выброса или плавного выдвижения поддона, индикатор Busy (занято), гнездо
для подключения стереотелефонов и регулятор громкости, используемый при
проигрывании звуковых дисков.
Полноценное “вооружение” мультимедиа–ПК требует подключения к нему
множества внешних устройств: аудио– и видеоадаптеров, телевизионных и
радио–тюнеров, дисководов CD–ROM, джойстиков, клавиатуры MIDI и т.д. Все
они обслуживаются массой программных утилит — драйверов и нередко
конфликтуют друг с другом. В этой связи крупные разработчики ПК объединили
усилия в создании стандарта Plug and Play (включай и играй). Этот стандарт
— обширный комплекс программных и аппаратных средств по полностью
автоматической настройке конфигурации компьютера в соответствии с
используемым с ним оборудованием.
Технология PnP (или Plug’n’Play) предполагает, что достаточно включить
компьютер, как все аппаратные и программные средства автоматически
оптимально настроятся и станут работать без сбоев и конфликтов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. С. Новосельцев “Мультимедиа — синтез трех стихий”. Компьютер–Пресс,
7’91.
2. В. Дьяконов “Мультимедиа–ПК”. Домашний Компьютер, 1’96.
3. В.Э. Фигурнов “IBM PC для пользователя. Краткий курс” – М.: ИНФРА-М,
1998.
| |
