Оптические диски с однократной записью

Накопители CD-R позволяют однократно записывать информацию на диски с форм-фактором 4, 72" и 3, 5". Для записи используются специальные заготовки дисков, иногда называемые мишенями (target). На поверхность заготовок нанесено три слоя покрытия: непосредственно на основу диска из поликарбоната нанесен активный слой из пластика (metal azo, цианина, фталоцианина или наиболее перспективного adv цианина); на активный слой нанесена тончайшая отражающая пленка из золота (использовалась в первых моделях, а сейчас в особо надежных моделях) или серебра (дешевле и обладает лучшим светоотражением); сверху все покрыто слоем защитного лака. Заготовки также имеют нанесенную спиральную дорожку, на которой позиционируется записывающая головка.

При записи лазерный луч непосредственно в дисководе компьютера прожигает необратимые микроскопические углубления - питы (pits) в активном слое. Ввиду разницы отражения от ямок и от не выжженных участков поверхности при считывании происходит модуляция интенсивности отраженного луча, воспринимаемого головкой чтения. Запись в современных CD-R может выполняться на скорости до 12х. Чтение записи выполняется лазерным лучом так же, как и у CD-ROM. Дисководы CD-R совместимы с обычными CD, естественно, при совпадении формата диска.

Оптические диски с многократной записью

Накопители CD-RW позволяют многократно записывать информацию на диски с отражающей поверхностью, под которую нанесен слой пластика типа Ag-In-Sb-Те (содержащего silver, indium, antinomy, tellurium) с изменяемой фазой состояния. Фаза этого пластика, кристаллическая или аморфная, изменяется в зависимости от скорости остывания после разогрева поверхности лазерным лучом в процессе записи, выполняемой непосредственно в дисководе ПК. При медленном остывании пластик переходит в кристаллическое состояние, и информация стирается (записывается "0"); при быстром остывании (если разогрета только микроскопическая точка) элемент пластика переходит в аморфное состояние (записывается "1"). Ввиду разницы коэффициентов отражения от кристаллических и аморфных микроскопических точек активного слоя при считывании происходит модуляция интенсивности отраженного луча, воспринимаемого головкой чтения.

Лучшие образцы дисков CD-RW выдерживают несколько сотен циклов перезаписи. Коэффициент кратности скорости при записи информации у современных моделей не превосходит 10х. Читать CD-RW могут только высокочувствительные дисководы (чтение записи выполняется лазерным лучом), поскольку отраженный луч у них значительно слабее (отражающая способность их активного слоя составляет 25-30 % от уровня обычного CD), нежели у CD-ROM и CD-R. Перезаписываемые диски целесообразно использовать для хранения больших объемов обновляющихся данных (например, для создания резервных копий важной информации) и для обмена данными с другими ПК.

Занятие 11

Помехи и борьба с ними

(начало)

Помехи — внешние электромагнитные воздействия на провод­ные (воздушные, кабельные) линии, а также электрические про­цессы в них, вызывающие искажение передаваемой информации. При наложении на полезный сигнал помеха затрудняет его прием. В настоящее время разработаны разнообразные методы борьбы с помехами. В общем виде влияние помехи пу(0 на передаваемый сигнал 5(0 выражается функцией

Если результат воздействия помехи на сигнал рассматривать как простое сложение с сигналом

то помеха называется аддитивной. Если же результирующее на­пряжение представлено в виде произведения

то помеху называют мультипликативной. В реальных каналах связи присутствуют как аддитивные, так и мультипликативные помехи. Помехи имеют различное происхождение и физические свойства.

По электрическим характеристикам аддитивные помехи делят на: флуктуационные, импульсные и сосредоточенные (синусоидаль­ные и гармонические).

Флуктуационная помеха, являющаяся непрерывным во времени случайным процессом с нормальным распределением, присутству­ет практически во всех реальных каналах связи.

Структурно флуктуационную помеху можно представить после­довательностью бесконечно коротких импульсов со случайной ам­плитудой, следующих друг за другом через случайные промежутки времени. Для флуктуационных помех характерно наложение пере­ходных процессов в приемнике от отдельных импульсов, которые следуют друг за другом довольно часто. Флуктуационная помеха имеет широкий, практически равномерный, спектр 10¹² — 10¹⁴ Гц, поэтому ее еще называют «белым шумом».

Флуктуационная помеха, представляющая собой сумму большо­го числа независимых случайных электромагнитных колебаний, согласно предельной теореме теории вероятностей А. М. Ляпуно­ва, имеет нормальное распределение со средним значением, рав­ным нулю, и дисперсией , равной средней мощности помехи.

Для одномерной плотности вероятности мгновенных значений помехи справедливо выражение [9]

(1.7)

Соответственно интегральная функция распределения

(1.8)

где

(1.9)

интеграл вероятности.

Флуктуационную помеху на выходе узкополосной приемной сис­темы можно представить как колебание со средней частотой ша и случайно изменяющимися огибающей U и фазой :

(1.10)

где случайные величины U и являются медленно изменяющимися по сравнению с колебаниями на частоте функциями времени.

Путем простого тригонометрического разложения выражение (1.10) можно преобразовать к виду

(1.11)

где — также являются медленно изме­няющимися функциями времени с нормальным распределением ве­роятности (1.7).

Плотность вероятности огибающей U в выражении (1.10) опреде­ляется распределением Рэлея

а фаза колебания — равномерным распределением

(1.12)

изменяющимся в пределах 0 — 2 .

Спектральная плотность мощности флуктуационных помех практически постоянна во всем диапазоне частот. Поэтому для расчетов принимают, что мощность флуктуационных помех про­порциональна ширине полосы частот, а напряжение — корню квад­ратному из величины этой полосы. Расчет производят по формуле

где — напряжение помех в полосе 5 кГц. При этом обязатель­но указывают ширину полосы частот, для которой производят вычисления.

К флуктуационным помехам относятся внутренние шумы при­емника, помехи космического происхождения и некоторые виды атмосферных и промышленных помех.

Импульсные помехи представляют собой последовательность импульсов произвольной формы со случайными амплитудами, дли­тельностью и временем появления, причем интервалы времени меж­ду импульсами относительно большие. Для импульсных помех характерно то, что переходные процессы, вызванные отдельными импульсами, не накладываются друг на друга, так как длительность помехи значительно меньше времени установления. Пиковая мощ­ность импульсных помех пропорциональна квадрату ширины про­пускания, а напряжение — полосе пропускания. Статистические свойства импульсных помех обычно описывают распределением вероятностей амплитуд импульсов и временных интервалов между импульсами.

Так как импульсные помехи являются случайными одиночными импульсами, то можно считать, что они появляются независимо друг от друга с вероятностью появления импульса , где — средняя частота следования импульсов, — малый промежуток времени. Тогда вероятность появления п импульсов за время Т определится формулой Пуассона:

В данном выражении параметр распределения v является характеристикой временных интервалов помехи.

К импульсным помехам относят некоторые виды атмосферных и промышленных помех.

Интегральное распределение огибающей атмосферных помех достаточно полно аппроксимируется выражением [8]

где а, Ь и с — постоянные, определяемые экспериментальным путем.

Распределение вероятностей амплитуд импульсов индустриаль­ных (промышленных) помех хорошо аппроксимируется логарифми­чески-нормальным- законом распределения

где и — амплитуда импульса, дБ; и — параметры распределе­ния, зависящие от выбранного для отсчета нулевого уровня и оп­ределяемые экспериментально для различных источников помех.

Сосредоточенные по спектру помехи представляют собой одно или несколько модулированных или немодулированных колебаний, являющихся сигналами посторонних радиостанций, генераторов высокой частоты различного назначения. Эти колебания могут быть непрерывными или носить импульсный характер (радиоте­леграфные сигналы). Ширина спектра сосредоточенной помехи, как правило, меньше полосы пропускания приемника.

Мультипликативные помехи вызывают быстрые и медленные замирания. Замирания считают быстрыми при длительности эле­мента сигнала Т, больше или одного порядка с длительностью среднего периода замирания , а медленные — когда значитель­но больше длительности элемента сигнала Т. Физически природа замираний объясняется особенностью распространения радиоволн.

В диапазоне коротких волн необходимо учитывать также се­лективные замирания. Селективный характер замираний проявля­ется в полосе частот, составляющей несколько сотен герц. На более узкополосные сигналы селективный характер замираний не ска­зывается, и в этом случае замирания рассматривают как общие. Возникновение помех. По источникам возникновения помехи делятся на внутренние и внешние.

Внутренние шумы обусловлены термическими шумами в сопро­тивлениях аппаратуры связи, в каналах и проводных линиях связи, дробовым эффектом электронных приборов.

Шум в электрических цепях может проявляться в результате флуктуации тока, обусловленной дискретной природой носителей заряда (электронов, ионов). Результатом этого является дробовой эффект, который возникает в электронных лампах и полупровод­никовых приборах.

Основной причиной шума является случайное тепловое движе­ние носителей заряда в любом проводнике, которое вызывает случайную разность потенциалов (напряжение) на его концах. Среднее значение напряжения равно нулю, а переменная состав­ляющая проявляется как шум. Квадрат эффективного напряжения, обусловленного тепловыми флуктуациями в «шумящем» сопротив­лении R, может быть вычислен по формуле Найквиста:

где Т° — абсолютная температура проводника, имеющего сопро­тивление R; — полоса частот; k=1,38^.10^-23 Дж/К — постоян­ная Больцмана.

К внешним помехам относят промышленные (индустриальные), атмосферные, космические; помехи от мешающих радиостанций и наводок с других линий; помехи, обусловленные взаимным влия­нием между каналами в многоканальных системах связи.

Промышленные помехи обусловлены изучением электромагнит­ной энергии при работе различных промышленных, бытовых и ме­дицинских приборов и аппаратов. Причиной возникновения про­мышленных помех могут быть: автомобильный транспорт (помехи от системы зажигания); электрифицированный транспорт (трам­ваи, троллейбусы, электропоезда и т. п.); линии электропередачи (пробой дефектных изоляторов, коронирование проводов); механи­ческие коммутационные устройства и реле (работа телеграфной и телефонной аппаратуры коммутации); сварочное оборудование (электрическая дуга); электрические машины и трансформаторы (например, включение и выключение генераторов, трансформато­ров); лампы дневного освещения; радиоэлектронные устройства (например, радиостанции, высокочастотные -генераторы, осцилло­графы, медицинское высокочастотное оборудование) ; бытовые электрические приборы (пылесосы, полотеры, стиральные маши­ны и др.).

Промышленные помехи могут иметь как флуктуационный, так и импульсный характер.

Атмосферные помехи обусловлены грозовыми разрядами и ста­тическим электрическим зарядом частиц пыли, капель воды, сне­жинок, находящихся в атмосфере, которые, соприкасаясь с антен­ной или проводами линии связи, отдают им свой заряд. Если основная энергия грозового разряда сконцентрирована в относи­тельно низкочастотном диапазоне (до 100 кГц), то помехи, вызванные наличием статического заряда частиц, имеют равномер­ный спектр во всем диапазоне.

Помехи космического происхождения — это помехи, порожден­ные магнитными бурями, радиоизлучением солнца, планет, звезд.

Спектр частот атмосферных и космических помех довольно широкий и по своему характеру они являются флуктуационными. Помехи космического происхождения являются высокочастотными и проявляются в основном в ультракоротковолновых каналах ра­диосвязи.

Помехи от мешающих радиостанций обусловлены нарушением регламента распределения рабочих частот, недостаточной стабиль­ностью частот и плохой фильтрацией гармоник сигнала. Эти по­мехи сказываются на работе радиоканалов, а также влияют на высокочастотные каналы, работающие по проводным воздушным линиям связи.

Помехи, обусловленные взаимным влиянием между каналами, проявляются во взаимном переходе энергии сигналов соседних каналов в многоканальных системах.

Занятие 12

Помехи и борьба с ними

(окончание)

В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные помехи и прерывания связи. При прерывании связи сигнал в линии резко затухает или совсем исчезает. Прерывания могут быть вызваны различными причинами, например, нарушение контактов в реле, в разъемах.

В радиоканалах наиболее распространенными являются атмо­сферные помехи. Сильные помехи создаются также промышленны­ми установками, мешающим воздействием радиостанций и вза­имным влиянием каналов. Способы борьбы с помехами можно классифицировать по назначению на: способы борьбы с аддитив­ными помехами, способы борьбы с мультипликативными помехами и общие способы повышения помехоустойчивости систем передачи информации.

Способы борьбы с аддитивными помехами. При приеме сигна­ла на фоне флуктуационных помех повышение помехоустойчивос­ти достигается использованием узкополосного приема [1], где используется то свойство, что мощность сигнала при прохождении через узкополосный фильтр изменяется незначительно, а мощность помехи уменьшается пропорционально ширине пропускания фильтра.

Если средняя мощность флуктуационной помехи в полосе 1 Гц Р_ср и полоса пропускания фильтра , то мощность помехи на выходе фильтра

Откуда отношение сигнал/помеха

Уменьшая полосу пропускания фильтра, можно получить боль­шое отношение сигнал/помеха.

С учетом того, что где — время нарастания сигнала на выходе фильтра, получим

Таким образом, сужение полосы пропускания фильтра ведет к увеличению отношения сигнал/помеха. Однако одновременно с этим увеличивается время фильтрации, т. е. время нарастания сигнала на выходе фильтра, достаточного для срабатывания поро­гового устройства. Увеличение времени фильтрации уменьшает быстродействие, что является основным недостатком данного спо­соба.

Другим способом помехоустойчивого приема на фоне флуктуа­ционных помех является интегральный прием (или метод накопле­ния), под которым понимается прием с накоплением результата воздействия реализаций сигнала и помехи на приемник в интер­вале времени, равном длительности сигнала .

Суть данного способа заключается в выборе нескольких отсче­тов на протяжении приема сигнала, несущего информацию. Впо­следствии все отсчеты складываются в суммирующем устройстве (накопителе). Решающее устройство, подключаемое к выходу накопителя, дает ответ о наличии или отсутствии сигнала не по одному отсчету, а по сумме отсчетов. Использование этого спосо­ба приема дает увеличение отношения сигнал/помеха по сравне­нию с однократным отсчетом в n раз, где n — число отсчетов. Однако из-за наличия статистической связи между значениями помех в моменты отсчетов выигрыш в отношении сигнал/помеха будет всегда несколько меньше, чем в п раз.

К недостаткам этого способа следует отнести увеличение вре­мени приема сигналов, а также усложнение аппаратуры и возра­стание затрат на ее реализацию.

Для подавления импульсных помех применяют схему ШОУ (широкополосный фильтр или усилитель Ш; ограничитель О; узкополосный фильтр У) (рис. 1.2).

Ослабление импульсной поме­хи в схеме ШОУ достигается за счет изменения параметров при прохождении помехи через избирательные системы с различной полосой пропускания и амплитудный ограничитель. В данной схеме используется известное положение, что амплитуда импульса на выходе фильтра (усилителя) прямо пропорциональна его полосе пропускания. При прохождении импульсной помехи через широко­полосный фильтр (усилитель) (рис. 1.2, а) на его выходе будет помеха с большой амплитудой, но малой длительностью (рис. 1.2, б), так как пропорционально увеличению амплитуды выходного им­пульса уменьшается его длительность.

После ограничения энергия импульса помехи, пропорциональ­ная длительности импульса, оказывается значительно меньше энергии сигнала (рис. 1.2, в). На выходе узкополосного фильтра (рис. 1.2, г) амплитуда помехи уменьшается за счет ее длитель­ности и становится меньше амплитуды сигнала, в результате чего возрастает отношение сигнал/помеха.

К недостаткам схемы ШОУ сле­дует отнести увеличение действия других видов помех из-за значи­тельного усиления их широкополос­ным усилителем до ограничителя, а также ограниченность использо­вания схемы, так как она эффек­тивна только при больших скважностях входных импульсов, когда переходные процессы, вызванные отдельными импульсами, не пере­крывают друг друга.

Существует ряд модификаций схемы ШОУ, в которых ослабляет­ся действие других видов помех. Представляет интерес схема, в ко­торой одновременно с ограничением импульсной помехи происходит ав­томатическое расширение полосы приемника в момент ее прихода, чем уменьшается длительность им­пульса. Одновременно с расшире­нием полосы пропускания уменьша­ется усиление усилителя прием­ника.

Одним из эффективных методов борьбы с импульсными поме­хами является метод компенсации. Сущность этого метода заклю­чается в наличии в приемном устройстве вспомогательного канала, выделяющего только импульс помехи, который вычитается из сигнала и помехи в основном канале.

Широко используется для борьбы с импульсными помехами селекция импульсов по длительности, основанная на различиях в длительности импульса помехи и сигнала. Наряду с этими мето­дами используются: запирание приемника на время действия им­пульсной помехи, автоматическое снижение усиления приемника и др., а также комбинированные способы подавления импульсных помех.

Для борьбы с сосредоточенными помехами в основном исполь­зуются методы частотной селекции. Одним из наиболее эффектив­ных способов борьбы с такого вида помехами является их подав­ление при помощи специальных заграждающих фильтров.

Способы борьбы с мультипликативными помехами.Для борь­бы с медленными замираниями и многолучевостью в радиоканалах используют главным образом увеличение энергии сигнала путем повышения мощности и его длительности.

Для борьбы с быстрыми замираниями используются различные способы многократного приема: сдвоенный прием с разносом по частоте, сдвоенный прием с разносом в пространстве, счетверенный прием с разносом и по частоте и в пространстве, многократный прием с разносом по углу, многократный прием сигнала с разносом во времени и другие.

При сдвоенном приеме с разносом по частоте одна и та же информация передается на разных несущих частотах, разнесенных друг от друга на 2—4 МГц. Эффективность такого вида сдвоен­ной работы возрастает с увеличением разноса частот, так как с ростом частотного разноса уменьшается коэффициент корреля­ции процессов замирания на разных частотах.

При сдвоенном приеме с пространственным разносом прием­ники настроены на одну и ту же частоту передатчика, но подклю­чены к разным антеннам, разнесенным в пространстве на несколь­ко десятков длин волн . Корреляция замираний в различных точках пространства различна, что и используется при пространст­венном разносе. Считают, что поперечный разнос в пространстве должен быть не менее 70—100 .

Для большего эффекта выигрыша в помехоустойчивости ис­пользуется счетверенный прием с применением одновременно частотного и пространственного разноса.

Суть многократного приема с разносом по углу заключается в том, что одну и ту же антенну снабжают несколькими облуча­телями, каждый из которых немного смещен относительно фокуса параболы по горизонтальной оси (горизонтальный разнос) или по вертикальной оси (вертикальный разнос), в результате чего полу­чают антенну с несколькими смещенными диаграммами. Снижение коэффициента корреляции замираний увеличивается при увели­чении углового разноса.

Многократный прием с разносом во времени основан на вре­менном разносе одного и того же сигнала, т. е. сигнал повторяется через определенный интервал времени . За время условия на трассе успевают измениться и один из переданных сигналов на стороне приема может быть выбран как лучший. Как недостаток данного способа следует отметить увеличение времени приема сигнала.

Общие способы повышения помехоустойчивости.К такого рода способам, в первую очередь, относят экранирование как источни­ков помех (с целью предотвращения излучения электромагнитного поля в окружающее пространство), так и линий и аппаратуры передачи информации.

Наряду с экранированием для уменьшения распространения помех по токопроводящим проводам, питающим электрическую установку, создающую помехи, в эти провода включаются специ­альные фильтры. Широкое распространение имеет включение кон­денсаторов, шунтирующих источник помех.

Важным способом уменьшения помех является также правиль­ное заземление и выравнивание потенциалов различных точек электрического оборудования.

Эффективным способом повышения помехоустойчивости являет­ся статистический метод, при котором каждое сообщение переда­ется многократно (в основном, нечетное количество раз), накапливается в приемнике и по результатам сравнений, принятых по-раз­ному искаженных сигналов, «голосованием по большинству», восстанавливается истинное значение передаваемого сигнала. Не­достатком данного метода является резкое увеличение времени передачи.

При передаче информации по контактным сетям, троллейным проводам, рельсам и другим каналам, где действуют помехи большой мощности, целесообразно использовать так называемый энер­гетический метод, суть которого заключается в повышении энергии сигнала, передаваемого по цепи, до такой величины, чтобы он намного превосходил уровень помех. Этим достигается значитель­ное увеличение отношения сигнал/помеха. Однако этот метод нельзя использовать при передаче сигналов по линиям связи, где имеется ограничение по уровню входных сигналов.

Для уменьшения вероятности искажения дискретной информа­ции при передаче по каналам с помехами применяют коды, обна­руживающие и исправляющие ошибки (избыточные коды). Умень­шения вероятности искажения информации достигают применением в системах передачи канала обратной связи.

Системы передачи с каналами обратной связи подразделяют «а: системы с решающей, с информационной и с комбинированной обратными связями.

Преимуществом систем с каналом обратной связи является возможность передачи сообщений с большой скоростью без приме­нения сложных избыточных кодов.

Занятие 13