Informatika | Információelmélet » Dr Keresztesi Miklós - Információtechnika II

Phare Program HU-94.05 (APP/3/032) Az oktatás és a gazdaság kapcsolatának erősítése Dr. Keresztesi Miklós: INFORMÁCIÓTECHNIKA II. 1. Információelmélet Számítógépes grafika: Imrek Gyula 1996 1. INFORMÁCIÓELMÉLET A társadalom központi problémájává vált az információ. A civilizáció történetében kezdetben az anyag, majd az energia jelentette a stratégiai erőforrást, ma egyre nagyobb szerepet kap az információ. A gazdasági életben aki előbb jut információhoz, az előnyösebben tud dönteni, versenyképessége fokozódik. A technikai rendszerek irányíthatóságánál elemi igény az időben megszerzett információ, de a társadalmi folyamatokban is meghatározó lehet a döntéshozók informáltsága. Az információszerzésben az időtényező két vonatkozásban is jelentkezik:  információhoz jutás a legrövidebb időn belül, amelyhez gyakran használunk telekommunikációs eszközöket,  az információra egy rendszernek

sokszor nem akkor van szüksége, amikor az létrejön, igény a keletkezett információk egy későbbi időpontban való hasznosítása. A korábbi ismeretanyaggal egybevetett új információ növeli a tudásbázist. Az információtároló technikák végigvonulnak az emberiség történetén. A rendszerek célirányos működésében fontos mozzanat az információfeldolgozás. Alap információkból magasabb rendű információkat hozunk létre, a feldolgozást az emberi agy és a gyorsabb, pontosabb, megbízhatóbb számítógép végzi. A magasabb rendű információk egyik megjelenési formája a döntés, amelynek a folyamatirányításban van kiemelt fontossága. Tekintsük át az információkezelés általánosan használt fogalmait ! 1.1 Informatika Az informatika az információszerzés, -átvitel, -tárolás, feldolgozás (beleértve a döntésekre alapozott irányítást is) technológiájával foglalkozó elméleti és gyakorlati ismeretek, módszerek összessége.

Hasonló értelemben használjuk az információtechnika fogalmat Míg az informatika az információkezelés módszerére helyezi a hangsúlyt, addig az információtechnika eszköz oldalról közelíti a kezeléstechnikát. 1.2 Információ Az információ ismeretnyereséget, az ismeretanyag növekedését, ill. a bizonytalanság csökkenését jelenti. Egy forrásból annál több információt kaphatunk, minél nagyobb a beérkezett információ által megszüntetett bizonytalanság mértéke. Az információt tartalma és mennyisége jellemzi. Tartalmi oldalról az információt csak akkor tudja a vevő befogadni, ha az adott tématerületen előzetes ismeretekkel rendelkezik, azokat a kapott információk kiegészítik. Ugyanaz az információ egy laikus felhasználó számára nem jelent semmit, míg megfelelő előismeretek birtokában igen értékes lehet. Az információ mennyiségi jellemzése szempontjából célszerű eltekinteni a sok szubjektív elemet tartalmazó

tartalmi oldaltól. Az információ objektív oldala az információhordozó, a jel Pl az írás jelei, a beszédnek megfelelő levegő nyomásváltozások, egy képelem felületi fényessége és színe. 2 1.3 Az információ mennyisége Az információelmélet alapvető gondolata, hogy az átvitt jel egy kiválasztott jel a sok lehetséges közül. Minél bizonytalanabbak vagyunk a közlemény szerkezetében, annál nagyobb a közölt információ mennyisége. Tekintsünk egy hírforrást, amelynek szimbólum készlete k elemet tartalmaz és ezek előfordulási valószínűsége a közleményben azonos. Egy jel (pl az i-edik) vételének valószínűsége pi=1/k . Jelöljük az információ mennyiséget I-vel, az i-edik jel beérkezésekor kapott információ mennyiség: I i  log 2 1 1  log 2  log 2 k 1 pi k (1.31) Legyen egy adott szimbólumkészlet elemeinek száma 2 és ezek a közleményekben azonos valószínűséggel fordulnak elő, ekkor egy jel

beérkezésekor a kapott információ mennyiség egységnyi: I = log 2 2 = 1 (1.32) Két eleme van pl. a kettes számrendszernek (0,1), az angol binary és digit szavak megfelelő karaktereinek összevonásával állt elő a bit betűszó, amely az információ szimbólumonkénti mértékegysége. A gyakorlatban széleskörűen használt a bájt (byte) az információ mennyiség jelölésére, 1 bájt = 8 bit. Prefixumok: 1 K = 1024 (kiló: ezer) 1 M = 1024 . 1024 = 1 048 576 (mega: millió)(133) Tehát a fenti információ mennyiség képlete és mértékegysége: Ii = log 2 k bit/szimbólum Vizsgáljuk azt az esetet, amikor k szimbólumból álló készletben a szimbólumok előfordulási valószínűsége különböző. Egy választásnál: H  log 2 bit    szinbólum    1   log 2 p p (1.34) ahol p a vizsgált szimbólum előfordulási valószínűsége. Több esetben választva a szimbólum készletből, meghatározható az egy szimbólumra eső

információ mennyiség átlagos értéke: 3 k H    p i log 2 p i i 1 bit    szimbólum    (1.35) A képlet valamely szimbólumkészlet egy szimbólumára jutó átlagos információ mennyiséget adja meg. Az információ mennyiségi jellemzésének gondolatköre C. E Shannontól (1949) származik Megalkotása óta sok ezer publikáció jelent meg ebben a témakörben, de egyik szerző sem javasolt más definíciót. Neumann János mutatott rá, hogy a Shannon formula (135) és a termodinamikai entrópia képlete csak konstans szorzóban különböznek egymástól. Ezért az 135 kifejezést is szokás entrópiának nevezni. Vizsgáljuk meg az angol abc-vel írt szöveg entrópiáját. A szimbólumkészlet 26 betűből és a szóközből (space) áll, k=27. Az írott szövegben leggyakoribb a szóköz, gyakorisága 18,7 %, (valószinűség 0,187 utána következik az E, melynek 10,7 % az előfordulása (valószínűség 0,107). Néhány betű

valószínűsége: p space = 0,187 = 0,107 pE pT = 0,085 . pD =0,031 . Az 1.35 képletbe helyettesítve a vizsgált szimbólumkészlet entrópiája: 27 H    Pi log 2 Pi  4 ,065 i 1 bit    szimbólum    (1.36) Nyelvészek vizsgálata alapján figyelembe kell még venni a jelkorrelációt is, amely a betűk egymásközti statisztikus kapcsolatát tükrözi, mint az adott nyelv -előfordulási valószínűségen túlispecifikumát jelenti. A jelkorrelációt 8 betűig figyelembe véve az entrópia H = 2,35 bit/szimbólum Tehát kevesebb információhoz jut az, aki a nyelvet érti. Aki folyékonyan beszél egy nyelvet, további statisztikus kapcsolatok birtokában van. Ilyen esetben indokolt a jelkorreláció kiterjesztése 100 betűig, ekkor az entrópia lecsökken, az átlagos információ mennyiség H = 1 bit/szimbólum, . 1,6 bit/szimbólum. Határozzuk meg az entrópia függvény maximumát. Hasonlóan a termodinamikához, az információelméletben

is annál nagyobb az entrópia, minél rendezetlenebbek a jelek. A teljes rendezetlenségben minden szimbólum azonos valószínűséggel fordul elő, azaz a betűk tetszőleges kombinációjának lenne értelme az adott nyelven. A jelkorreláció kizárásával az információforrás szimbólumkészletéből való választás bizonytalansága növekszik, tehát az átlagos információ mennyiség: 4 Hmax = 4,76 bit/szimbólum. Másik határeset akkor következik be, amikor az valamely szimbólum bekövetkezési valószínűsége 1, az összes többié zérus. Az 135 kifejezésben a - 1 . log2 1 = 0 alakú tag értéke zérus. Problémát okoz formailag a nulla valószínűségű tagok kiszámítása Az ellentmondást úgy oldhatjuk fel, hogy az ilyen forrásnak csak egy eleme van, amely a vizsgált közleményben biztosan előfordul, a többi önmagát zárja ki a szimbólumkészletből, ezért az információ mennyiség triviálisan zérus. 1.4 Redundancia A redundancia a

szimbólumkészlet terjengősségét jelenti. Kifejezi, hogy az általa továbbított információ mennyire "bőbeszédű". Formálisan úgy ragadhatjuk meg a redundancia definícióját, hogy R H max  H H  1 H max H max (1.41) megadjuk mennyivel nagyobb a maximális entrópia a ténylegesnél és ezt a különbséget a maximális entrópiára vonatkoztatjuk. A redundancia (R) : R  1 H 1, 6  1  0 , 664 H max 4 , 76 (1.42) Az angol nyomtatott szövegben a betűk 66,4 %-a "felesleges". Ha az eredeti 27 betű helyett 21,6 = 3 szimbólumot használnánk, sokkal racionálisabb rendszert lehetne megvalósítani, de az átvitelben jelentkező "kis" hiba már végzetes félreértésekre, reprodukálhatatlan közleményekre vezetne. A mértéktartó redundancia nem minden esetben káros jelenség. E felesleg teszi megbízhatóvá az információ adás-vétel folyamatát, olvashatóvá a kézírást. A redundancia csökkentése az

információ komprimálását jelenti, mely csökkenti az egyes szimbólumok közötti statisztikus kapcsolatokat, a jelkorrelációt. 1.5 Kódolás A kódolás tetszőlegesen választott szimbólumok egymáshoz rendelési szabályát jelenti. A digitális technikában kiemelt jelentősége van a bináris kódnak, mert mindössze két elemet kell reprezentálni. Pl a TTL áramköröknél L, H szintek indikálhatók, amelyek megfeleltethetők a szimbólumkészlet 0, 1 elemének. Ebben az esetben a feszültségszinteket számjegyekké (és fordítva) kódoljuk. Közismert a személyi számítógépek ASCII (kiejtése eszki) kódtáblázata A billentyűzeten látható szimbólumokat számok (lehet decimális, hexadecimális, bináris) hordozzák. Az e betűnek a 101, az E-nek 69 az ASCII- kódja. A Windows operációs rendszer az ANSI- kódot használja, de ismert a 852-es kódlap, amelyet a magyar ékezetes karakterek írásakor célszerű használni. A kódolás inverz 5 folyamata

a dekódolás. Triviális követelmény az információ veszteség nélküli átalakítása, melyet a kódolási, dekódolási szabályok pontos betartásával (korrekt elektronika, szoftver) lehet elérni. 1.6 Paritásbit Legyen egy információforrás szimbólumainak száma k=2 és elemek a 0 és az 1. Mivel 1 bájt = 8 bit és lehetőség van az egyes biteken a bináris helyértékes ábrázolásra, ezért 1 bájt 256 féle jel kódolását teszi lehetővé (ASCII kódlap). Az egyes bitek helyértékei: 27 , 26 , 25 , 24 , 23 , 22 , 21 , 20 Például a decimális 17 bináris alakja: 0 0 0 1 0 0 0 1 A paritásbit bevezetése redundáns, de a többlet információ révén hibafelderítést biztosító ábrázolást tesz lehetővé. Ha az 1 bájtból egy bitet, a legmagasabb helyértékűt a paritásbit számára foglaljuk le, akkor az adatátvitelt csak a hét alsó bit szolgálja. Hét bittel csak 0-tól 127-ig írhatók le az ASCII kódszámok. A binárisan kódolt

számokban az 1 értékű elemek száma vagy csak páros, vagy csak páratlan lehet. A decimális 17 bináris alakjában páros az 1 értékű elemek száma, a decimális 16 esetében a bináris alak (00010000) páratlan 1 értékű számjegyet tartalmaz. Megállapodás szerint ha a bájt hét adatbitjén páros számú 1-es bit van, akkor a paritásbit 1 lesz, mig páratlan esetben a paritásbit 0. decimális decimális decimális decimális 17 16 17 16 binárisan (paritásbit nélkül) binárisan (paritásbit nélkül) binárisan (paritásbittel) binárisan (paritásbittel) 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 paritásbit adatbitek Ha a paritásbittel ellátott bájtban megsérül bármelyik bit, akkor ez a hiba a paritásbit alapján felismerhető. Paritásbájt bevezetésével lehetőség van a hibás bájt javítására is A redundancia növelésének következménye a rendszer erőforrásainak jelentős lekötése, ezért a gyakorlatban a

megbízhatóság és gazdaságosság kompromisszumát alkalmazzák. 1.7 Információátviteli csatorna Az írott szöveg hordozója papír, de lehet mágneslemez is. A hangot legtöbbször levegőben továbbítjuk, hordozója nyomásváltozás. Hangot hordozhat mágnes szalag, lemez is A sugárzott műsorokat elektromágneses hullám közvetíti, amely vácuumban tovaterjed. A számítógépek kapcsolatának legkorszerűbb eszköze az üvegszál. A csatorna jelvivőt jelent, amelyen át a jel bizonyos korlátok között eljut rendeltetési helyére. Már az eddig felsorolt példákból is kitűnik, hogy a csatorna lehet térbeli, időbeli. A térbeli csatorna funkciója a távolság áthidalása. Az időbeli csatorna feladata a tárolás, lehetővé teszi, hogy az információt ne a keletkezés pillanatában hasznosítsuk, hanem akkor, amikor arra szükség van. 6 Mivel a jel terjedéséhez időre van szükség, így minden csatorna térbeli és időbeli is. Ha szükséges egyik

vagy másik jellemzőjét hangsúlyozzuk a szerkezet megfelelő kialakításával. Az információ a csatorna állapotában (pl. levegő nyomásában, az elektromágneses hullám valamely paraméterében, az anyag homogenitásában) hoz létre változást. Ehhez természetesen energiára van szükség. A csatorna jellemzője az a fizikai paraméter, amely az információ reprezentálásra képes. A telefon kábel villamos jelet tud továbbítani és a környezet akusztikus jeleire érzéketlen. A levegőben tovaterjedő hangot a levegő nyomásváltozásait befolyásoló jelek zavarhatják, míg pl. villamos jelekre érzéketlen. Az optikai kábelben fény hordozza az információt, de szerkezeti, de szerkezeti kialakítása olyan, hogy sem akusztikus, sem villamos, sem mágneses jelek nem zavarják, de még a nem kívánatos fény sem tud belépni. 1.8 A zaj Az információszerzésben kitüntetett szerepe van a hasznos jelnek, de tapasztalati tény, hogy vannak zavaró jelek is. Az

élő beszédet a környezet akusztikus jelei zavarják, telefon vezetéken továbbított villamos jelet a szomszédos vezetékből átindukálódó feszültség, az "áthallás" vagy a légköri villamos kisülések zavarják. A hasznos jel továbbítása információátviteli csatornán együtt jár nemkívánatos zavaroknak, zajnak a jelhez való hozzákeveredésével. Az információáramlás minden pontján bekövetkezhet a zajfertőzés, a gyakorlatban a kisméretű funkciószervek jól védhetők a zajhatástól. A térben kiterjedt csatornák (pl telefon vezeték), az időbeli csatornák (pl. pergamen, papír, mágneslemez, ) jelentős zajhatásnak vannak kitéve, ezért a zajt a csatorna minőségi jellemzéseként adhatjuk meg: u be u be t csatorna u ki u ki zaj t 1.8-1ábra Az 1.8-1 ábra megadja a hasznos jel, a bemeneti feszültség időfüggvényét Ha a csatorna zajos, akkor a zaj szuperponálódik a hasznos jelre. A kimeneti feszültség

időfüggvénye a jel és a zaj eredője Követelmény, hogy a zaj ne nyomja el a hasznos jelet. A jel- és zajteljesítmény aránya a jel-zaj viszony Megadható nemcsak teljesítmények, hanem feszültségek arányaként is a jel-zaj viszony, az 1.8-1 ábrán ezen utóbbi paraméter vonatkozásában szemléltettük az eredőt és a hasznos komponenst. A jel-zaj viszony dimenzió nélküli arányszám, de használatos ennek 10-es alapú logaritmusa is, ekkor a mértékegység : decibel. 20lg Ujel Uzaj decibel (1.81) 1.9 Csillapítás Hosszabb átviteli csatornán a jelek csillapodnak, a betáplált hasznos jel disszipálódik, 7 értékelhetősége romlik. Az 18-1 ábra jelöléseit használva a csillapítás logaritmikus mértéke: 20 lg Ube Uki  decibel (1.91) 1.10 Torzítás Torzítás akkor lép fel, ha a csatornán áthaladó jel hullámalakja megváltozik az eredetihez képest, tehát információ veszteség következik be. Akusztikus jelnél a

torzítás füllel is érzékelhető , ha a hullámalak eltérés 3 %-nál nagyobb, vizuális jelnél a kör megnyúlik, a négyzet párna alakú lesz, stb. 1.11 Sávszélesség Az információt hordozó jel alapvető jellemzője a sávszélesség (B), amely a jel legkisebb (fa ) és legnagyobb (ff) frekvencia komponense közti intervallumot jelenti. B = ff - fa (1.111) A telefon vezetékben a legmélyebb hang frekvenciája kb. fa=300 Hz, a legmagasabbé ff=3400 Hz, tehát a sávszélesség (B): B = ff - fa = 3400 Hz -300 Hz = 3,1 kHz A középhullámú sávban dolgozó rádióadók sávszélessége 4,5 kHz. Az URH sávban a rádióadók sávszélessége 15 kHz. A televíziós képjel sávszélessége 6 MHz 1.12 Csatornakapacitás A csatornakapacitás (C) az időegység alatt továbbítható maximális információ mennyiséget jelenti, szoros összefüggésben van a használt csatorna sávszélességével (B), a jel-zaj viszonnyal:   U jel   C  B log 1   2

U zaj    bit   s     bit   s    baud    Bd    (1.121) Ez az egyenlet az információelmélet legfontosabb összefüggése, amelyet C. E Shannon tett közzé 1948-ban. Ebből az alábbi megállapításokat tehetjük: 8 Ha egy csatorna sávszélessége növekszik, akkor kisebb jel-zaj viszony elegendő ugyanakkora információátviteli sebességhez. Ha egy csatorna sávszélessége csökken, akkor nagyobb jel-zaj viszony biztosítása szükséges ahhoz, hogy az információ átviteli sebessége változatlan maradjon. Kis kapacitású csatornán, rossz jel-zaj viszony mellett, kis sávszélességen is lehet jelentős mennyiségű információt átvinni, ha elegendően hosszú átviteli idő áll rendelkezésre. 1.13 Digitalizálás Az Információtechnika I. kötetben találkoztunk analóg- és digitális jelekkel Az analóg jelfolyamatok jellemzője, hogy függvénygörbéjük az idő szerint folytonos és a függvény

értéke egy adott intevallumban minden értéket felvehet. Analóg leképzést ad pl egy mikrofon A hangerőnek a jel amplitudója, hangmagasságnak a jel frekvenciája felel meg. Az analóg jel legsérülékenyebb jellemzője az amplitudó, a zaj rá szuperponálódik és a hordozott információ megváltozik. A digitális jelek rögzített amplitudójúak, s ha bináris a jel, akkor csak az impulzus jelenléte és hiánya hordozza az információt. Jelentős zajfertőzés esetén is a van jel, nincs jel jól felismerhető, ezért a digitális jel az információátvitelben kiemelt előnyökkel rendelkezik. Az információátviteli hálózatok világviszonylatban érzékelhető tendenciája a digitális technika előretörése. Problémát okoz az emberi érzékelés analóg jellege, ezért a digitális átvitel előnyei csak a térbeli csatornák jelátvitelénél használható ki. A felhasználó számára a digitális jeleket vissza kell alakítani érzékelhető analóg jellé A

jelforrások jelentős része analóg jeleket adnak kimenetükön, a digitális átvitelhez ezeket a jeleket digitálissá, majd az érzékelhetőség miatt digitálisból ismét analóggá kell alakítani. jelforrás analóg jel analóg/digitál átalakító csatorna digitális jel 1.13-1 ábra Az 1.13-1 ábra az analóg/digitál (A/D) konverzió funkcionális vázlatát mutatja be A csatornaára digitális jelek kerülnek, ezek is fertőződnek zajjal, de felismerési lehetőségük még kedvezőtlen jel-zaj viszony esetén is jó. 9 analóg jel digitál/analóg átalakító regenerátor digitális jel emberi felfogó 1.13-2 ábra Az átviteli csatornán a digitális jelhez zavarok is keverednek. Az 113-2 ábra szerinti regenerátornak csak azt kell érzékelnie, hogy az adott helyen van vagy nincs impulzus. Ha a regenerátor -amely erősítőből, szintszabályozóból és impulzusformálóból áll- azt érzékeli, hogy az adott helyen impulzus volt, akkor

kimenetére az eredeti impulzussal pontosan azonos impulzust bocsát ki. Ez könnyen lehetséges, mert a digitális rendszerekben az impulzus amplitudója és szélessége mindig ugyanazok. A regenerátor kimenetén minden zavartól mentes digitális jel jelenik meg Problémát csak az jelenthet, ha a zajok oly nagyok, hogy az impulzus megléte már nem érzékelhető. Az ilyen durva hibák előrelátó tervezéssel kiküszöbölhetők. A digitál/analóg (D/A) konverter kimenetén visszakapjuk a kiindulási analóg jelet, amelyet az emberi felfogó a szokásos módon (akusztikusan, vizuálisan) érzékel. Az információt hordozó jelek többsége analóg jel. Ezek tehát digitális átvitelre közvetlenül nem alkalmasak. Az analóg/digitális konverziót a következő folyamatokkal lehet megvalósítani: -mintavételezés, -kvantálás, -kódolás. Mintavételezés A mintavétel olyan folyamat, amelyben egy folytonos időfüggvényből meghatározott időpontokban mintákat

veszünk, azaz a kérdéses időpontokban meghatározzuk a függvény értékét. A mintavételi tétel szerint bármely sávhatárolt analóg jel információ veszteség nélkül továbbítható úgy is, ha a teljes időtartamú átvitel helyett csak a kellő sűrűségű mintákat továbbítjuk. Az időegység alatt vett minták számát nem választhatjuk meg az analóg jel tulajdonságaitól függetlenül. Pl egy kazánban lévő viz hőmérséklete időben lassan változó analóg jel. Ugyancsak analóg jel a telefon vezetéken átvitt jel. Értelmetlen lenne a kazán víz hőmérsékletéből másodpercenként több ezer mintát venni A rendszer hő tehetetlensége miatt elegendő percenként, negyedóránként, . mintát venni A telefonhang reprodukálhatósága miatt már viszont másodpercenként több ezer mintára van szükség. A mintavételezés gyakorisága egy fmax felső határfrekvenciás jelnél legalább fminta = 2 fmax (1.131) frekvenciájú kell, hogy legyen. Pl

egy telefon - beszédcsatorna sávhatárolt jele 300 Hz 3,4 kHz tartományba esik, a jel maximális frekvenciája 3,4 kHz és ennek kétszerese (6,8 kHz) a mintavételi frekvencia. A mintavétel periódusideje: tminta = 1/fminta 10 (1.132) u analóg jel 1. 2. 3. 4 minta t 5. 1.13-1 ábra Telefon esetében a mintavétel periódusideje 1/6800 s = 147 .s Tehát 147 mikro szekundumonként mérve a telefon vezetékben a villamos jel feszültségét, a kapott minták alkalmasak a teljes időtartamú jel reprezentálására. Kvantálás Az analóg jel egy adott intervallumban minden értéket felvehet. A konverzió végterméke digitális jel, amelyet meg lehet jeleníteni 1 bájton (8 bit), másfél bájton (12 bit), . ez a gyakorlat számára azt jelenti, hogy a minták végtelen sok értékű amplitudóit kell 256, vagy 4096 lépcsőre bontani. Azaz a minta amplitudókat kell meghatározott intervallumokba sorolni Ez a kvantálás folyamata. Kódolás A mintavételi

impulzusok meghatározott időben követik egymást. Az egyes impulzusok amplitudója a kvantálási szinteknek megfelelő. Az ilyen impulzussorozat azonban még mindig analóg jel, mivel a mintavételi impulzusok amplitudói - ha nem is folytonosan- az eredeti jel amplitudójával arányosan változnak. A digitalizálás utolsó lépése a kvantált szintek kódolása A mintavétel helyét (idejét) a kiindulási jel időfüggvényén megjelölni nem szükséges, mivel a mintavétel periódikus és pontosan ütemezett. A kódolás a gyakorlatban azt jelenti, hogy a kvantált értékeket egymás után megjelenítjük a bináris számrendszerben. Ha a kvantálási szintek száma 256, akkor a kódolt érték 8 biten jeleníthető meg, 4096 szinthez 12 bit tartozik. Az alábbiakban a 8 bites A/D konverter néhány kvantálási szintjéhez tartozó kódolt értéket adjuk meg: 255 254 253 . 3 2 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 11 1.14 Az információátvitel modellje Az információátvitel általános jellemzője, hogy a forrástól a felfogóig továbbítjuk az információt hordozó jelet, a továbbítást a csatorna valósítja meg. Az előbeszédnél csatorna a levegő, amely nyomásváltozások formájában hordozza az információt. Ebben a folyamatban a hangszalagok hozzák rezgésbe a levegő részecskéit, míg a vétel helyén a fül dobhártyája jön rezgésbe. A hangszalagok átalakítják a mechanikai rezgést nyomásváltozássá, a dobhártya visszaalakítja a nyomásváltozást mechanikai rezgéssé. A csatornában nyomásváltozás hordozza az információt, ehhez illeszti a jelet a hangszalag, a dobhártya pedig visszaalakítást végez. A mesterséges információátviteli rendszereknél is megfigyelhető a csatorna fizikai paramétereihez való illesztés. Nagyobb távolságú beszédátvitel eszköze a telefon Csatorna az érpár, amelyben

villamos jel hordozza az információt. Az akusztikus jelet a mikrofon illeszti a csatornához A telefon hallgató a villamos jelet akusztikus jellé visszaalakítja. Az előző példákban a csatorna a forrás és felfogó közti távolság leküzdését segítette. Az időbeli csatornák keletkezett információk egy későbbi hasznosítását teszik lehetővé. Az időbeli csatornák valójában információhordozók, amelyekben az információ maradandó állapotváltozást hoz létre. Legyen az időbeli csatorna anyaga a papír, tároljunk ezen gondolatokat. Itt is megfigyelhető az átalakítás folyamata, amelyet közismerten írásnak nevezünk. A visszaalakítás olvasáskor zajlik le A térbeli csatornákban is időre van szükség a jel terjedéséhez, de ez általában viszonylag rövid késleltetést jelent. Az időbeli csatornákkal lehetőség van a távolság leküzdésére is (pl levél) Egy fax üzenet, Pmail levél távolság áthidaló és tároló funkcióval

egyaránt jellemezhető. Az információátvitel modellje mind a természetes, mind a mesterséges információ áramlásának szemléltetésére alkalmas. A modell bonyolult rendszerek funkcionális szintű értelmezését könnyíti meg, ezért oktatási szempontból kiemelt jelentősége van. Általában mondhatjuk, hogy a forrás jelét az átalakító illeszti a csatorna fizikai paramétereihez, míg az átviteli lánc másik oldalán a visszaalakító biztosítja a jel érzékelését a felfogó számára. A csatornán a jel zajjal fertőződik. forrás átalakító csatorna visszaalakít felfogó (nyelő, tároló) zaj 1.14-1 ábra Az információátvitel térben, időben zajló folyamat. A gyakorlati szóhasználatban az időbeli csatornát tartalmazó folyamatokat tárolásnak nevezzük, az információátvitel fogalom többnyire az információ továbbítás jelölésére használatos. A 2 fejezetben az átvitel térbeli, a 3 fejezetben az időbeli problémáit

mutatjuk be. 12 13 Phare Program HU-94.05 (APP/3/032) Az oktatás és a gazdaság kapcsolatának erősítése Dr. Keresztesi Miklós: INFORMÁCIÓTECHNIKA II. 2. Információátvitel Számítógépes grafika: Imrek Gyula 1996 2. Információátvitel A távolsági információátvitel az ember informálódási igényéből fakad. A fejlődés egyik iránya a globális információ ellátás, amelyet a direkt műsorszóró műholdakkal valósítanak meg. A másik irányzatot a lokális, individuális, interaktiv szolgáltatás jellemzi Az információ célba juttatása szempontjából mindkét irányzat jellemezhető az információátvitel modelljével, ezen belül a specifikusságok az információ átalakítás és visszaalakítás folyamatában, a csatorna megválasztásában vannak. Pl. vezeték nélküli információ továbbításra alkalmas csatorna az elektromágneses hullám, amely információt hordoz valamely jellemzőjének az információ szerinti

megváltoztatásával (modulálással). Az információt a csatorna fizikai paraméteréhez kell illeszteni, ezt nevezzük az információátviteli modell alapján átalakítónak. Az információt hordozó elektromágneses hullámok antennával térbe kisugározhatók és eljutnak a lesugárzott terület felhasználóihoz. Minden vevőkészülékben le kell választani az információt az elektromágneses hullámról, ez a visszaalakítás. Triviális követelmény, hogy a vett üzenet azonos legyen az eredeti, küldött üzenettel. Az alábbiakban az információátvitel általános eljárásait, majd konkrét rendszereit tekintjük át. 2.1 Koszinuszos vivőjű modulációs, demodulációs rendszerek A moduláció olyan eljárás, amellyel a vivőhullám valamely paraméterét az információt hordozó jellel változtatjuk. Legyen a vivőhullám általános kifejezése a következő: u v ( t )  u ( t ) cos  ( t )   amplitudó  argumentum (2.1-1) A

kifejezésben "u" a feszültséget, a "v" index a vivőt jelenti. A két szabad paraméter az amplitudó, és az argumentum bármelyike változtatható az információt jelentő , azaz a moduláló jel szerint. Ezek változhatnak az idő szerint, erre utal a zárójelbe tett "t", az idő szokásos jele. Ha a vivő amplitudója arányosan változik a moduláló jellel és az argumentum állandó, akkor amplitudó modulációról beszélünk. Frekvenciamodulációnál konstans az amplitudó és változik az információtartalom szerint az argumentum. 2.11 Amplitudómoduláció (AM) 2 Legyen a moduláló jel idő függvénye: um(t) = Um cos (mt) ekkor az amplitudómudulált jel általános kifejezését a 2.11-1 képlet tartalmazza Jelöljük a vivőhullám maximális amplitudóját Uv - vel.   u AM  t  U v  u m  t cos v t    (2.11-1) Az amplitudómoduláció lényegi tulajdonsága, hogy a vivő amplitudó,

Uv az információ tartalom időfüggvénye szerint változik. A koordinátarendszer alkalmas megválasztásával elérhető, hogy a koszinusz függvény argumentumában a kezdeti fázisszög értéke nulla. A moduláló jel helyettesítése után: u AM  t   U v  U m cos  m t  cos  v t (2.11-2) Kiemelve a vivőhullám maximális amplitudóját és bevezetve a modulációs indexet (m):   U u AM  t  U v  1  m cos  m t cos  v t Uv   Um m Uv (2.11-3) Ha a modulációs index nulla, akkor a vivőhullám nincs modulálva, információt nem hordoz. Maximális értéke 1 lehet, ennél nagyobb modulációs indexnél az amplitudómodulált jel burkoló görbéje torzult lesz. A gyakorlatban m = 0,8 szokásos érték A 2.11-3 kifejezést tekintve megállapítható, hogy az AM jel tartalmazza az eredeti vivőhullámot és egy olyan tagot, amelyben a két koszinusz függvény szorzata a meghatározó (az egyik argumentumában a

moduláló körfrekvencia, a másikban a vivő 3 körfrekvencia szerepel). A frekvencia összetevők (frekvencia spektrum) kimutatására alakítsuk át a 2.11-3 kifejezést ismert trigonometrikus összefüggések alapján: cos x  y  cos x  cos y  sin x  sin y  cos x  y   cos x  cos y  sin x  sin y cos x  y   cos x  y   2 cos x  cos y cos x  cos y  1 1 cos x  y   cos x  y  2 2 (2.11-4) Legyen x a vivő körfrekvencia, y a moduláló körfrekvencia. A fenti azonosság figyelembevételével az AM jel frekvencia spektruma: u AM  t  U v cos  v t  1 1 U v m cos v   m  t  U v m cos v   m  t 2 2 (2.11-5) A kifejezés három tagú. Az első tag azt jelenti, hogy az AM jelben megtalálható a modulálatlan vivőhullám. A második tag vivő + moduláló körfrekvenciás komponenst jelent, a harmadik tag vivő - moduláló

körfrekvenciás komponenst jelent. Ezen utóbbi két komponens a vivő körfrekvenciára szimmetrikusan helyezkednek el és felső oldalkörfrekvenciának ill. alsó oldal-körfrekvenciának nevezzük A gyakorlatban az információ (moduláló jel) nem egyetlen diszkrét körfrekvencia, hanem sáv, ekkor felső oldalsávról és alsó oldalsávról beszélünk. Mivel a körfrekvencia 2-szerese a frekvenciának, célszerű a 2.11-5 egyenletet a moduláló jel sávjának figyelembevételével a frekvencia tengelyen megjeleníteni (2.11-1 ábra): 4 u AM felső oldalsáv alsó oldalsáv fv f 2.11-1 ábra Az ismertetett eljárás a két oldalsávos, nem elnyomott vivőjű amplitudómoduláció. Információt az alsó- és/vagy felső oldalsáv tartalmaz, míg a vivőnek nincs információtartalma. A két oldalsávos, nem elnyomott vivőjű AM eljárást a középhullámú rádió adók használják. Előnye az eljárásnak, hogy a periodikus koszinuszos vivő

amplitudójára minden időpillanatban szuperponálódik a moduláló jel és ha a modulációs index nem nagyobb egynél, akkor az amplitudómudulált jel burkológörbéjének időfüggvénye pontosan olyan, mint az információ időfüggvénye. Ennek előnye, hogy a vétel helyén egyszerűen lehet demodulálni a jelet. Az eljárásnak a rádiózás kezdetén volt nagy jelentősége, mert a sugárzott műsort egyszerű detektoros (diódás) vevőkészülékkel is lehetett fogni. A két oldalsávos, nem elnyomott vivőjű AM lefoglalt sávszélessége (B) a moduláló jel legmagasabb frekvenciájától (fmoduláló max.) függ, mint az ábrából látható, annak kétszerese: B = 2 fmoduláló max. (2.11-6) Az amplitudómodulált jel frekvenciaspektrumában a vivőhullám nem hordoz információt. Vannak olyan gyakorlati alkalmazások (sztereo hangátvitelnél, PAL színes televíziós rendszernél), ahol a vivőt részben vagy teljesen elnyomják. A vivő frekvenciája egyes

esetekben beleesik a moduláló jel sávjába, zavart okozhat . Az így kapott modulációs eljárást elnyomott/csökkentett vivőjű, két oldalsávos amplitudómodulációnak nevezzük. Kimutatható, hogy az ilyen jelből csak úgy nyerhető vissza az információtartalom, ha a vétel helyén az eredeti vivőt az adóval koherensen visszaállítjuk. A koherencia azt jelenti, hogy amilyen az adóban a vivő rezgés frekvenciája, fázishelyzete, ugyanolyan hullámokat kell kelteni minden vevőkészülékben. Ezt a feltételt csak szinkronizációval lehet megoldani. A kvadratúra moduláció egy vivőhullámon kétféle információ továbbítását teszi lehetővé. A PAL színes televíziós rendszer a kép vörös és kék színinformációit egy 5 színsegédvivőre ültetett kvadratúra modulációval juttatja el a vevőkhöz. Egy vivőhullám úgy alkalmas kétféle információ átvitelére, ha az egyik információ továbbításánál a vivőhullámot a szokásos módon

használjuk, majd fázisszögét 90 fokkal (esetleg plusz mínusz 90 fokkal) elforgatva rámoduláljuk a másik információt. Mivel a PAL rendszernél a színsegédvivő beleesik a videojel sávjába, ezért még elnyomott vivőjű, két oldalsávos amplitudómodulációt alkalmaznak. Ahhoz, hogy a vétel helyén a vivőt koherensen reprodukálni lehessen, az adó 64 mikro szekundumonként kis hullámcsomagokat sugároz a vevő oszcillátorának szinkronizálására. A kis hullámcsomagok úgy vannak a sor szinkronjelekre ültetve, hogy azok ne legyenek láthatók a képernyőn. A csonka oldalsávos AM a frekvenciaspektrum azon tulajdonságát használja ki, hogy a két oldalsáv közül az egyik is teljes információ tartalommal rendelkezik. A csonka oldalsávos amplitudómodulációnál a vivőhullámot nem nyomják el, de az alsó oldalsávnak csak részét továbbítják a vétel helyére. Ezáltal lecsökken a lefoglalt sávszélesség, de megmarad az egyszerű demodulálás

lehetősége. A televíziós képet csonka oldalsávos amplitudómodulációval továbbítják. 2.12 Amplitudómodulátor Az amlitudómodulátor a két oldalsávos, nem elnyomott vivőjű amlitudómodulált jel előállítására szolgál. Két bemenetű és egy kimenetű funkcionális egység Egyik bemenetére a vivőhullámot, másik bemenetére az információt jelentő moduláló jelet kapcsolják, kimenetén megjelenik az AM jel. Tekintsük az amplitudómodulált jel 2.11-2 egyenletét: u AM  t   U v  U m cos  m t  cos  v t Formálisan a vivőhullám és a moduláló jel szorzatáról van szó. Egy nemlineáris karakterisztikájú elem (pl. dióda) is alkalmas két jel szorzatának előállítására, de ma már rendelkezésre állnak a félvezető alapanyagú precíziós szorzó áramkörök is. Az amplitudómodulátor funkcionális vázlata a 2.12-1 ábrán látható A két oldalsávos, nem elnyomott vivőjű amplitudómodulált jelből

szűrőkörökkel lehet előállítani az elnyomott vivőjű, a csonka oldalsávos jelet. 6 Um 1 cos m t Uv u AM t  szorzó áramkör U v cos  v t 2.12-1 ábra 2.13 Demodulálás Az informácoióátvitel modellje alapján tekinthetjük a modulátort átalakítónak, ekkor a demodulátor fokozat a visszaalakító. A demodulálás a modulálás inverz művelete Vizsgáljuk meg, mi történik, ha az amlitudómodulált jelet megszorozzuk a vivőhullámmal (2.13-1)   t   U   t cos u AM  t   U v  u m  t cos  v t cos  v t 1  cos 2 v t u DM  v t  U v  u m  t v  um 2 U v u m  t cos 2 v t u DM  t    U v  u m  t 2 2 2 2     egyen komponens szűrővel levágható (2.13-1) információ 7 Mint látható, szorzó áramkörre vezetve az amplitudómodulált jelet, az eredmény három tagú kifejezés. A kimeneten megkapjuk az időtől

független (tehát állandó) vivő amplitudó felét, a moduláló jel (információ) időfüggvényét fél amplitudóval és kapunk egy kétszeres vivő frekvenciájú jelet, amely az információ visszanyerése szempontjából érdektelen, ezért szűrővel eltávolítjuk. Az amplitudómodulált jel valamennyi típusát lehet szorzó áramkörrel demodulálni, a gyakorlatban az elnyomott vivőjű modulációs eljárásoknál használják ezt az eljárást. u AM t  szorzó áramkör u m  t 2 U v cos  v t 2.13-1 ábra Mint az ábrából is látható, a működéshez szükséges a koherens vivőhullám, ezt mindig a vevőkészülékben állítják elő és az adó szinkronizálja. A két oldalsávos, a csonka oldalsávos, nem elnyomott vivőjű amplitudómodulációnál sokkal egyszerűbb az információ visszanyerése: itt burkológörbés demodulátort szokás alkalmazni (2.13-2 ábra) u amplitudó -modulált jel u információ t t burkoló görbés

demodulátor után 2.13-2 ábra 8 A burkológörbés demodulátor nagyfrekvenciás félvezető diódát tartalmaz, s mint egyenirányító az AM jel egyik fél periódusát hasznosítja. Ezek csúcsait összekötő görbét elektronikus úton egyszerű eszközökkel lehet megvalósítani. 2.14 MODEM A MODEM egybeépített modulátor és demodulátor. MODEM : MOdulátorDEModulátor Számítógépeket gyakran kapcsolnak össze egymással analóg jelek átvitelére kialakított hálózatokon keresztül. A MODEM a digitális számítógépből kijövő adatokat analóg jelekké alakítja át, amely analóg átviteli hálózaton továbbítható. A hívott félnek is szüksége van MODEM-re, hogy az analóg jeleket újra digitálissá lehessen alakítani. számítógép számítógép csatorna MODEM MODEM 2.14-1 ábra A modulátor funkciójú illesztő egység a számítógép bináris (0,1) jeleit f1 , f2 frekvenciájú szinuszos jellé konvertálja. A demodulátor funkció az

f1 , f2 frekvenciájú szinuszos jelet bináris jellé alakítja vissza. 2.15 Frekvenciamoduláció (FM)  U v  t  U t cos   t  konstans amplitudó   argumentum hordozza az információt 9 (2.15-1) Frekvenciamodulációnál a vivőhullám amplitudója konstans, a koszinusz függvény argumentuma viszont az információ tartalom szerint változik. Az argumentum változtatásának két lehetséges esete van: a vivőnek vagy a pillanatnyi fázisszöge, vagy a pillanatnyi frekvenciája függ a továbbítandó függvénytől. Tekintettel a gyakorlati felhasználásra, a továbbiakban csak a frekvenciamodulációval foglalkozunk. Konstans amplitudó és konstans fázisszög esetén a (kör-)frekvencia változik. A vivő pillanatnyi frekvenciája az argumentum idő szerinti differenciálhányadosa: d  t    v  u m  t dt  : löket  f  50kHz f  75kHz OIRT CCIR (2.15-2) A löket terjedelmét

rádió-televízió szabványok (OIRT, CCIR) írják elő. Jelentése: a pillanatnyi frekvencia maximális eltérése a modulálatlan értéktől. Mindkét oldalt integrálva: t  0 d  t  dt t dt    v   u m  t dt 0 t t 0 0   t   v t    u m  tdt   v t    U m cos  m tdt    vt   U m sin  m t m (2.15-3) A kapott értéket, mint argumentumot visszahelyettesítve a vivőhullám egyenletébe, megkapjuk a frekvenciamodulált jel időfüggvényét    u FM  t   U v cos  v   v t  U m sin  m t  m   10 (2.15-4) Az egyenletben a koszinusz argumentuma változik szinuszosan (Bessel függvény), a frekvencia spektrum egy vivőből és végtelen sok oldalsávból áll. Ebből adódóan az alakhű átvitelhez - elméletileg - végtelen sávszélesség szükséges. A gyakorlatban azonban elegendőnek bizonyulhat az a

közelítés, ha csak azokat az oldalsávokat visszük át, amelyek relatív amplitudója 0,01-nál nagyobb. A gyakorlatban az FM jel közelítő sávszélessége (a frekvencia löket és a körfrekvencia löket összefüggése alapján), valamint az amplitudómodulációhoz hasonlóan a modulációs index képlete:  2 B  2 f  f modulá ló f =  max  modulációs index   Um m (2.15-5) A frekvenciamoduláció igen előnyös a kis zajú átvitelben. A zaj többnyire a hasznos jel amplitudójára szuperponálódik. Frekvenciamodulációnál ezért lehetőség nyílik az amplitudó limitálására, ezáltal a zaj "levágható" a hasznos jelről. Jelentős az FM lefoglalt sávszélessége, ez a feltétel csak az ultrarövid hullámú sávban, ill. ennél magasabb frekvencián biztosított. 2.16 Az FM jel demodulálása Funkcionálisan olyan demodulátorra van szükség, amelynek kimenetén a bemenetre adott jel pillanatnyi

frekvenciájával arányos feszültség jelenik meg. Közvetlen módszer ilyen tulajdonságú négypólus megvalósítására nincs, azt csak több lépésben lehetséges megközelíteni. A közvetett módszer első lépésben átalakítja az FM jelet könnyen demodulálható jellé, majd az így kapott jelet demodulálják. 11 u u f0 f f 2.16-1 ábra A 2.16-1 ábrán egy párhuzamos rezgőkörön a feszültség frekvencia függvényét láthatjuk. A rezgőkörön rezonáns frekvencián (f0) maximális a feszültség Ha most az FM jel ingadozó frekvenciáját a rezonancia frekvenciától balra (tehát a vivőfrekvencia alacsonyabb, mint a rezonancia frekvencia) kapcsoljuk a rezgőkörre, akkor frekvencia változás feszültség változássá alakul. A félrehangolt rezgőkör frekvencia - feszültség átalakítóként működik, azaz amplitudómodulált jelet kaptunk. Ezt a gyakorlatban egyszerű burkológörbés demodulátorra vezetve visszakapjuk az eredeti

információ tartalmat. 2.2 Pulzus vivőjű modulációs rendszerek A 2.1 fejezet a koszinuszos vivőjű modulációs eljárásokat mutatta be A vivő hullám lehet egyenes oldalakkal határolt időfüggvény is, az ilyen jelet impulzusnak (pulzusnak) nevezzük. A gyakorlatban a négyszög alakú periódikus hullám terjedt el vivőként. A pulzus-kód-moduláció (PCM) kódoltan tartalmazza a továbbítandó információt. A digitalizált analóg jel mintavételezés, kvantálás után kódoltan jeleníthető meg. Bináris számrendszerben 0 és 1 számjegyek vannak, ezeknek a pulzus szünet ill a pulzus felel meg. U 255 7 A 2gyakorlatban a pulzus - kód 26 25 24 - modulációs 23 22 eljárást 21 csak mint 20 alap modulációt használják, amellyel azután egy nagyfrekvenciás koszinuszos vivőt modulálnak t amplitudóban, vagy frekvenciában. A második moduláció nem zavarja az alapmodulációt U 254 A pulzus - kód - moduláció az analóg/digitál konverzió kódolással

kapcsolatos befejező szakasza. A dekódolás tulajdonképpen digitál/analóg visszaalakítást jelent. Az 7 6 5 4 3 2 1 0 2 2 2 2 2 2 2 2 eljárás előnye, hogy nagy zajú csatornán is lehet biztonságos információátvitelt megvalósítani. t 2.3 Keverés 2.2-1 ábra 12 A keverés frekvenciaváltást (transzponálást) jelent, azaz a vett sáv áttételét más frekvenciasávra. A frekvencia transzponálás az információátvitelben univerzálisan és igen elterjedten alkalmazott eljárás. Tulajdonsága, hogy az eredeti és a transzponált jel ugyanazt az információt tartalmazza. Gyakori ugyanannak a jelnek többszörös transzponálása Pl a műholdról történő vételnél a lesugárzott jel 11,7 . 12,5 GHz tartományba esik Ezt a mikrohullámú jelet parabola antenna fogja fel és egy keverő fokozat a vevőkészülékek szokásos sávjába, az ultrarövid hullámú (URH, 0,5 GHz alatti) tartományba transzponálja. Minden vevőkészülékben megtalálható még egy

transzponálás. A különböző műsorcsatornák frekvenciáját egyetlen középfrekvenciára transzponálnak és ezen az un. középfrekvencián történik a jel lényegi erősítése, amely technikailag sokkal előnyösebben oldható meg, mint a vett műsorok eltérő frekvenciáin. A keverő fokozat megtalálható a rádió vevőkészülékekben is. A keverés két jel szorzatát állítja elő: 1 2 keverő  U 1 0 U 2 0 c o s  1   2  t  c o s  1  2 t  U 20 cos  2 t U 10 cos 1 t 2.3-1 ábra A keverő kimenetén összeg- és különbség frekvenciájú jel jelenik meg. Keverjük le a parabola antenna 12,5 GHz-es jelét a televíziós vevőkészülékek vételi sávjába: 12,5 GHz - 12 GHz = 0,5 GHz Tehát az antenna jelhez egy helyi 12 GHz-es rezgést keverve megkapjuk a különbségi jelet. Természetesen a keverő kimenetén az összegfrekvencia is megjelenik, de azt szűrőkörrel levághatjuk. 2.4 Az információátviteli

csatornák jellemzői Az információátviteli csatorna a forrás és nyelő közötti kapcsolatot valósítja meg. A legegyszerűbb sodrott érpáron villamos jel vihető át, a jel sávszélessége telefon minőségű hang (B = 3,1 kHz) átvitelét teszi lehetővé. Az érpár csatorna kapacitása 2400 9600 bit/s. Nagyobb sávszélességű jelek átviteléhez precíziós, párhuzamosan futó erekből 13 álló, szimmetrikus (szalag kábel), illetve koncentrikus felépítésű, árnyékolt, koaxiális kábel használatos. A koaxiális kábel sávszélessége 100 500 MHz is lehet A vezetékek, kábelek jellemzője a hosszegységre eső ellenállása, a szigetelés átvezetése, kapacitása és induktivitása. Ezen tulajdonságokból adódóan miden kábelnek aluláteresztő tulajdonsága van. Ez azt jelenti, hogy a magasabb frekvenciájú jelek nagyobb csillapítást szenvednek, mint a kisebb frekvenciás jelek. Növekvő frekvenciánál a csillapítást a méretek (átmérő)

növelésével lehet elérni. A koaxiális kábel csatornakapacitása 150 Mbit/s. Több száz MHz-es sávszélesség tartománytól kezdve előtérbe kerülnek az un. Csőtápvonal-rendszerű átvivő közegek Ez külső megjelenésre zárt szelvényű, hengeres ill. dobozcsőre emlékeztet, belső terében kialakult erőtér révén halad az elektromágneses hullám. Az elérhető csatornakapacitás 600 Mbit/s. Az optikai kábelben az információt fénysugár hordozza. Kialakítása olyan, hogy a kábelt a fény nem hagyhatja el. A szálban a fény a teljes visszaverődés törvénye alapján terjed. Az optikai kábelek egyik típusában a belső fényvezető mag köré egy kisebb törésmutatójú külső köpenyt olvasztanak. A törésmutatók megfelelő megválasztásával elérhető, hogy a szál tengelyével közel párhuzamos fénysugár kevés számú teljes reflexió után eljut a kábel végére. Az optikai kábelen haladó fény semmiféle külső zavaró térre nem

érzékeny, nem zavarható. Az információ hordozója fény, frekvenciája 1014 Hz, a sávszélesség 0,1 . 1 GHz is lehet, a csatornakapacitás sokkal nagyobb, mint mikrohullám esetén. Vivőként jól nyalábolható és modulálható lézer sugarat használnak A félvezetős lézerek kis méretűek, áruk elfogadható, a fenti követelményeknek eleget tesznek. Az információátvitelben fontos szerepet játszanak az elektromágneses hullámok. Csatorna maga a tér, ebben a periódikusan változó elektromos és mágneses térerősség tovaterjed. Homogén közegben a hullámhossz (), frekvencia (f), terjedési sebesség (c) közötti összefüggés:  c f  m (2.4-1) Antennával az elektromágneses hullámok térbe lesugározhatók, ill. azok felfoghatók. Az elektromágneses hullámok vákuumban (pl a kozmikus térségben) is terjednek. Az adóból kisugárzott elektromágneses hullám által keltett térerősség fordítva arányos az adótól mért távolság

négyzetével. Az elektromágneses hullámok terjedési módjai: Felületi hullámterjedés. Főleg hosszú-, középhullámú adókra jellemző, a hullámterjedés követi a Föld görbületét. 14 Terjedés térhullám útján. A kozmikus térség irányába sugárzott hullámok a közép, rövid hullámú sávban igen jól visszaverődnek az ionoszféráról, a Főld felszínéről. Többszörös visszaverődés révén nagy távolságú összeköttetés valósítható meg. Az elektromágneses hullámok fontos jellemzője a polarizáció, amely az elektromágneses hullám elektromos komponensének irányát jelenti. A polarizációnak csak az URH tartományban van jelentősége, az adó antenna iránya adja a polarizáció irányát. Függőleges polarizációnál az adó, vevő antenna egyaránt függőleges helyzetű, vízszintes polarizációnál mindkettő fordított irányú. 2.41 Információs csatornák hálózata A hálózatokat többnyire vezetékes információs

rendszereknél fejlesztették ki. A hálózat központokból és vonalnyalábokból áll. Alapvető típusai: Lánchálózat. Az alközpontok láncba kapcsoltan csatlakoznak a főközponthoz Lehetséges az egyes fogyasztókat is láncba kapcsolni. Csillaghálózat. Egy központból csillagszerűen jutnak el az információk a fogyasztókhoz. Nagy kiterjedésű csillaghálózatokat hierarchikusan szervezik, a főközpont köré csillagszerűen telepített alközpontok kapcsolódnak, amelyek fogadják a fogyasztók igényeit. Hurkoshálózat. A megbízhatóság nagymértékben növelhető az alközpontok szövevényes kapcsolatával. lánchálózat hurkoshálózat csillaghálózat 2.4 1-1 ábra 15 2.42 Adatátviteli csatornák üzemmódjai Rendszerek kapcsolatának alapvetően két féle üzemmódja van. Az off-line üzemben a kapcsolat adathordozón (mágnes lemez, leolvasott adatok rögzítése papíron és bebilletyűzése) keresztül valósul meg. jellemzője a közvetett

kapcsolat, az időbeli késleltetettség. Az on-line üzem közvetlen és késleltetés mentes Az adatátvitel történhet sorosan, ekkor az adó bitenként, tehát egymás után továbbítja az információt. A számítógépek közötti kommunikációt sorosan az RS 232 csatlakozón keresztül lehet megvalósítani, de ugyanez a csatlakozás használatos rajzgépek számítógéphez való illesztésre is. Az ábrán a 138 decimális szám átvitelét szemléltetjük, az egyenértékű bináris szám az 10001010. Az egyes bináris helyi értéknek megfelelő bináris 138=10001010 adó vevő 10001010 2.42-1 ábra számjegyek időben egymás után kerülnek átvitelre. A párhuzamos adatátvitelnél minden bináris helyi értéknek saját adatvezetéke van, az 1 bájt átvitele 8 biten egyidejűleg történik. 138 = 10001010 adó 1 0 0 0 1 0 1 0 vevő 2.42-2 ábra A számítógépek párhuzamos adatátvitelre alkalmas szabványos csatlakozója a Centronics illesztő felület,

amelyet nyomtatók működtetésére használunk. 16 Az adatcsatorna simplex üzemmódja egyirányú átvitelt jelent, az adó ad, a vevő felfogja az információkat. A tömegkommunikációs eszközök közül a rádió, televízió simplex üzemmódban dolgozik, tagadva a kommunikáció kétirányú lehetőségét. A félduplex üzem váltakozva mindkét irányban biztosit átvitelt, pl. telefax A duplex üzem információ adást, vételt biztosit egyidejűleg, pl. telefon A multiplex üzem egy adatvezetéket oszt szét több felhasználó között. Pl két számítógép közös nyomtatót használ, a multiplexer hol az egyik, hol a másik számítógépet kapcsolja a nyomtatóra. Ebben a példában időosztásos (time sharing) multiplex üzem valósul meg, az adás és vétel megegyezés szerint történik. Nagy számítógépeket gyakran több terminálról működtetnek. A multiplexer periódikusan ismétlődő intervallumokat biztosit az egyes felhasználóknak. A nem aktív

intervallumban az egyes felhasználók memória állapota átmenetileg természetesen tárolásra kerül. A frekvencia multiplex módszer ugyanazon vezetéken több információ forrás hozzáférését teszi lehetővé. Az egyes jelforrások különböző frekvenciákon érhetők el, ezek a közös vezeték ellenére nem zavarják egymást. A vevő ezek közül választ, úgy hogy a venni kívánt jelforrás frekvenciájára hangolja készülékét. Pl kábel televíziós rendszerek egyetlen koaxiális kábelen szolgáltatják a műsorokat. A vevőt a venni kívánt frekvenciára hangolva lehet kiválasztani az igényelt műsort. Digitális jelek átvitele történhet aszinkron és szinkron módszerrel. Az aszinkron átvitelnél minden karaktert egymástól start és stop bit választja el, az egymást követő karakterek időbeli távolsága tetszőleges lehet. A szinkron átvitelnél egy adatblokkot egyszerre visznek át. A szinkronizálást ütemadó (órajel) biztosítja Az

információs csatornák optimális kihasználását az un. csomagkapcsolt rendszerek biztosítják. Széleskörű alkalmazását az elektronikus levelezésben figyelhetjük meg. A különböző címekre feladott levelek az alulterhelt vonalakon haladnak csomagként A vonalak elágazási pontjain csak az azonos irányú küldemények maradnak egy csomagban, majd kihasználatlan csatornát keresve továbbítja az automatizált rendszer a leveleket. Az optimalizálás nem az út nagyságára, hanem a vonalak kihasználtságára történik, ezért a rendszer igen gazdaságos. Ugyanahhoz a címzetthez feladott levelek változatos útvonalakon juthat el. 2.43 Az ISDN Az ISDN integrált szolgáltatású digitális hálózatot (Integrated Services Digital Network) jelent. A hírközlő hálózatokkal szemben támasztott igény, hogy többféle információ átvitelére is alkalmasak legyenek. Az ISDN hálózat nagyon hasonlít a telefonhálózathoz, de moduláris felépítésű. Hang, kép,

adat információk átvitelére a B=64 kbite/s modulok használatosak, vezérlő- és szinkron jelek csatornája a D=32 kbit/s modul. Alapcsatlakozásnál két, egyenként 64 kbit/s (B + B jelű és egy 32 kbit/s (D jelű) átviteli sebességű digitális csatornát biztosítanak a felhasználónak. A 2B + D csatorna 160 kbit/s átviteli sebességet biztosit és telefonok, fax, számítógép csatlakoztatását teszi lehetővé, de lassú mozgóképek átvitele is lehetséges. A 30B + D un primer csatorna 2048 kbit/s 17 adatátviteli sebességen működik és 30 telefont csatlakoztat vagy jó minőségű mozgókép átvitelre is alkalmas. VHS minőségű mozgókép átvitel 6B + D kiépítésben már megvalósítható. 2.5 Hanginformációk átvitele A hang rugalmas közegben (pl. levegőben) tovaterjedő mechanikai rezgés, amely a vivőközegben nyomásingadozást vált ki. A hang természeténél fogva időfüggvény A jelforrás az élőbeszédnél a hangképző szerv,

hangszereknél rezgő test, amely az élőlények hallószervében hangérzetet kelt. Az emberi fülnél a hallásküszöb értéke 1000 Hz mérőfrekvencián 10-16 W/cm2, a fájdalomküszöb értéke 10-4 W/cm2. Mindkét adat erősen frekvenciafüggő, ezért adtuk meg a mérőfrekvencia értékét. A két szélsőséges adat aránya 1012 Fiziológiai jellemző, hogy a hangosság és a hangerősség változása között , az inger és az érzet között logaritmikus arány áll fenn, ezért a hangosság mérésére logaritmikus rendszerek használatosak. A hangintenzitás szint (a): I a  10 lg I0 I: intenzitás I 0 : alapszint dB (2.5-1) W 2 I cm a  10 lg   10 lg 10 12  120dB W I0 10 16 cm2 10 4 (2.5-1a) Az emberi fül érzékenysége frekvenciafüggő, a mély és magas hangok felé nagymértékben csökken. Az átlagos ember 40 Hz 15 kHz tartományban képes rezgéseket érzékelni, a beszédhang tartománya ennél jóval kisebb, a telefontechnika

számára ajánlott sáv 300 Hz . 3,4 kHz Ebben a szűk tartományban az egyéni hangszín (felharmonikus tartalom, azaz a magas frekvenciás komponensek) teljesen elvész. 18 A hang információ tartalmát meghatározza a hangmagasság (frekvencia) és dinamika (intenzitásszint). A normál hangosságú emberi beszéd dinamikája 20 dB Egy átviteli csatorna zaját célszerű a hallhatóság alsó határán rögzíteni, ekkor a dinamika a csatorna jel-zaj viszonyát adja meg. 2.51 A telefon A. G Bell 1876-ban mutatta be az általa feltalált telefont Mikrofonja, hallgatója azonos, elektrodinamikus szerkezet volt. Permanens mágnest tekercs vett körül A mágnes végétől kb. 1 mm távolságra volt megfeszített hártya, közepén vékony vaslemezzel A hártya vékony bőrből készült és már akkor membránnak nevezték. Ha rábeszéltek a membránra, akkor az a hanghullámok hatására rezgésbe jött. A mágnes és a lágyvas lemez sohasem érintkezett, de a rezgés

következtében megváltozott a kettő közötti távolság és ezzel a mágneses tér erőssége. A tekercsben a változó mágneses tér feszültséget indukál, az akusztikus jel villamos jellé alakult. A villamos jelet nagyobb távolságra (Bell 12 km-re) lehet érpáron elvezetni. A jelek visszaalakítása hasonló felépítésű eszközzel, de fordítva történt. A tekercsen áthaladó hangfrekvenciás áram hol erősítette, hol gyengítette a permanens mágnes erejét, a membrán rezgésbe jött. Nem volt szükség áramforrásra sem Üzemmódja félduplex, ugyanis a készüléket felváltva hol a szájhoz, hol a fülhöz kellett tartani. A szénszemcsés mikrofont TA Edison (1878) találta fel A szemcsés szén villamos ellenállása nagy, ha viszont összenyomjuk, ellenállása csökken. Edison olyan szerkezetet alakított ki, amely kicsiny nyomásváltozásokra is érzékeny volt és a nyomás megszűnte után visszaállt alapállapotba. A mikrofon akusztikus/villamos

átalakítást végzett, visszaalakításra megtartották a Bell-féle hallgatót. A két állomást összekötő vezetéken kívül szükség volt még telepre is. A mikrofon és hallgató összekapcsolásával megvalósult a duplex üzem. 19 telefon kagyló telefon kagyló duplex üzem mikrofon hallgató csatorna átalakító visszaalakító 2.51-1 ábra Kezdetben a telefon-készülékeket páronként szerelték fel. Ahhoz, hogy több állomás beszélgethessen egymással, mindegyiket össze kellett volna kötni egymással. Ez viszont magában rejtené a kihallgatás lehetőségét és gazdaságtalan is lenne. Puskás Tivadar vetette fel a tetszőleges kapcsolások megvalósítását a telefonközpontba befutó vezetékek felhasználásával. Az első telefonközpontot Bostonban helyezték üzembe 1877-ben Puskás Tivadar ötlete nyomán. A központok feladata, hogy a befutó információs csatornákat egymással összekapcsolja. A hívást kezdeményező előfizető a

központon keresztül a hívott fél vonalával kerül kapcsolatba. Az egyes központok is kapcsolatban vannak egymással, így lehetővé válik a távhívás is. A nemzetközi távhívás megfelelő kóddal (00) kezdeményezhető, tárcsahang után következik az országhvószám (pl. 1: Amerikai Egyesült Államok), körzetszám, kapcsolási szám. A kapcsolási folyamatot ma már számítógép vezérli. 2.52 Monofónikus rádió adás-vétel A rádió adó és vevő mindig azonos funkcióban működik, a műsorszórás simplex üzemű. Cél a nagy számú vevőkészülék információval való ellátása Információs csatorna az elektromágneses hullám. A nagyfrekvenciás rezgések elektronikusan előállíthatók az oszcillátorokkal, a jelet antennára vezetve arról leszakadnak és a térben tovaterjednek. 20 Modulációval az elektromágneses hullámra információt lehet ültetni, amelyet a vevő demodulál és visszaalakítja az eredeti információ tartalmat.

Információ forrás a hang, amelynek (monofónikus) jellemzője az idő függvényében megadott hangmagasság (ferekvencia), hangerősség (intenzitás). Elsődleges feladat az akusztikus jelek villamos jellé alakítása mikrofon segítségével. A mikrofonban a membrán jön rezgésbe a hanghullámok hatására. Aszerint, hogy a membrán mozgása milyen fizikai jelenség által kelt villamos jelet, a mikrofonok több típusát fejlesztették ki. A kristálymikrofonban a membrán kristálylappal van összekötve és a kristály átveszi a membrán rezgéseit. A piezoelektromos elv alapján kristálylap két oldalán kialakított fémezésről lehet kivezetni a villamos jelet. Erősebb hangoknál a jel szintje eléri a 300 mV-ot is. A kristálymikrofon olyan erősítő kapcsolható, amelynek bemeneti ellenállása Mohm nagyságrendű. rajzjel  akusztikus jel membrán fémezés rezgés villamos jel -kristálylap fémezés 2.52-1 ábra A dinamikus mikrofon membránja

gömbsüveg alakú, végén van a lengőtekercs, mely erős permanens mágnes terében mozoghat. Hangrezgés hatására a tekercsben feszültség indukálódik. A lengőtekercs menetszáma kicsi, az indukált feszültség maximális értéke kb. 6 mV, alacsony bemeneti ellenállású erősítőhöz is jól csatolható 21 akusztikus jel  membrán rajzjel mágneses tér lengőtekercs villamos jel 2.52-2 ábra A kondenzátormikrofonban a membrán egyik oldala fémezett és ez egyben a kondenzátor egyik fegyverzete, a másik fegyverzet rögzített helyzetű. A membrán rezgései kapacitás változássá alakulnak át. Ahhoz a kimeneten villamos jelet kapjunk, a kondenzátormikrofon két fegyverzetére egyen (munka) ellenálláson keresztül feszültséget kell kapcsolni. A kapacitásváltozás az ellenálláson feszültségváltozást eredményez, ezt a jelet nagy bemeneti ellenállású (100 Mohm) erősítőre vezetik. A gyakorlatban kondenzátormikrofont a fenti

tulajdonságú erősítővel egybeépítik. +U akusztikus jel  villamos jel fémezett membrán rögzített fegyverzet rajzjel: 2.52-3, ábra Közép- és rövid-hullámú műsorszórás. Az adóban a vivőt egy oszcillátor állítja elő. Frekvenciája adónként más és más, pl a Kossuth adó középhullámú vivője 540 kHz A vivőfrekvenciát nagy stabilitással konstans értéken kell tartani, ezért kvarckristályt alkalmaznak a rezgés frekvenciáját meghatározó áramkörökben. Az oszcillátor jelét 22 teljesítmény erősítőre vezetik, amelyből az adóra jellemző teljesítményű vivőt kapjuk, pl. a Kossuth adó teljesitménye középhullámon 2 000 kW. A modulátor fokozathoz a vivőfrekvenciát és a moduláló hangfrekvenciát vezetik. A hangfrekvenciás erősítők feladata a mikrofonból érkező alacsony szintű jel kellő mértékű erősítése. A modulátor kimeneti jele kétoldalsávos, nem elnyomott vivőjű amplitudómodulált jel, amelyet az

antenna a szabad térbe lesugároz. Az adás sávszélességét a kimeneti szűrők állítják be Az adó által lefoglalt sávszélesség 9 kHz lehet. Ezért az alsó, ill felső oldalsáv sávszélessége nem haladhatja meg a 4,5 kHz-et. Ebből következik, hogy a közép-, rövid-hullámú műsorok a hallható hangok 20 Hz . 16 kHz tartományából csak ezt a részt képes továbbítani. antenna teljesítmény erősítő oszcillátor fv szűrő modulátor fv fv - fm fm fm hangfr. előerősítő hangfr. teljesít- fm mikrofon max . f v + f m max 4,5 kHz 4,5 kHz B = 9 kHz 2.52-4 ábra Az antennáról leszakadó modulált elektromágneses hullámok eljutnak a vevő antennához, abban feszültséget indukálnak. Állomásválasztás a rezonancia jelensége alapján lehetséges. A vevőkészülék állomásválasztó rezgőkörét rezonanciába hozzuk a venni kivánt adóval. Az állomásválasztó lényegében egy párhuzamos rezgőkör, hangolószerve forgó

kondenzátor. A rezgőkör önfrekvenciáját a Thomson-formula határozza meg: fo  f  [Hz ] 1 L  [H ] C  [F ] 2 LC (2.52-1) Az antennában az adóállomások sokasága indukál mikrovolt nagyságrendű feszültséget. A rezgőkör rezonáns frekvencián kiemeli a venni kívánt adó jelét Ha pl a 23 rezgőkör jósági tényezője 100, akkor a venni kívánt adó jelszintje százszoros lesz a hangolatlan állapothoz viszonyítva. A kiválasztás jóságát a vevőkészülék szelektivitásának nevezzük. Ez azt fejezi ki, hogy a kiválasztott adó jele mennyivel erősebb a szomszédos állomás jelénél. A szelektivitást fokozza a szuper elv. A ma használatos vevőkészülékek szuper rendszerűek A kiválasztott adó jelét keverő fokozatba vezetik és ehhez egy helyi rezgést kevernek úgy, hogy a keverő kimenetén mindig azonos frekvenciájú, az un. közép frekvenciás (KF) jelet kapjuk. A középfrekvencia szokásos értéke 450 500 kHz A

keverés változatlanul hagyja a modulált jel információ tartalmát. A keverés eredményeként az adott hullámsávon belüli vételnél mindig azonos KF értéket kell kapnunk. Ha a venni kívánt adó frekvencia tartománya pl. 500 kHz 1500 kHz, akkor a helyi oszcillátor frekvenciájának is változtathatónak kell lenni, úgy, hogy a KF érték konstans maradjon. A vevő készülékek felső keveréssel dolgoznak, a 2.3 fejezet 1 ábrája értelmében ez a különbségi frekvenciát jelenti. Legyen pl a középfrekvencia értéke 500 kHz, ekkor az 500 kHz 1500 kHz frekvenciájú sáv vételekor 1000 kHz . 2000 kHz frekvencia átfogású helyi oszcillátorra van szükség: oszcillátor vett állomás KF 1000 kHz 500 kHz 500 kHz . . . 2000 kHz 1500 kHz 500 kHz Az állomásválasztó és helyi oszcillátor között kényszerkapcsolatot kell biztosítani, hogy a kikevert jel mindig azonos (KF) legyen. Mivel az oszcillátor frekvenciáját is a Thomson formula határozza meg,

itt is célszerűen forgó kondenzátorral történik a hangolás. Ezért az állomásválasztó kör és az oszcillátor között kényszerkapcsolatnak kell fennállni. Mindkét kört közös tengelyű forgó kondenzátorral hangolják, így lehet biztosítani bármely vett műsor esetén a mindig azonos KF értéket. A 2 52-5 ábrán a két kör kényszerkapcsolatát szaggatott vonallal jelöltük. 24 állomásválasztó +R keverő KF erősítő demodulátor hangfrekvenciás erősítő hangszóró oszcillátor 2.52-5 ábra Az elektromágneses hullámok terjedés során erősen gyengülnek, a megfelelő minőségű vételhez a vett jelek jelentős erősítésére van szükség. Ezt a feladatot optimálisan a középfrekvenciás erősítő látja el. Előnye a szuper elvnek, hogy a jelet csak egyetlen frekvencián kell erősíteni, s erre a célra kapcsolástechnikailag egyszerűbben lehet az áramkört kialakítani. Ugyanakkor a szelektivitás is javul, mert csak a venni

kívánt adó esetében kapjuk a KF értéket, a szomszédos adók KF-től eltérő frekvenciát eredményeznek és ezeken a középfrekvenciás erősítő csak kis erősítéssel dolgozik. Az adó oldalon az információ modulálta a vivőhullámot. Keverés után transzponáltan megkaptuk a vivőhullámot változatlan információ tartalommal. Az információ leválasztását a demodulátor fokozat végzi. Mivel a közép-, rövid-hullámú sávban dolgozó adók kétoldalsávos, nem elnyomott vivőjű amplitudómodulációval dolgoznak, ezért a demodulátor egyszerű burkológörbés detektor lehet (2.113-2 ábra) A demodulátor hangfrekvenciás jelet (ez az információ) ad, ezt a megfelelő teljesitményű hangszóró megszólaltatásához még erősíteni kell. A hangszóró elektroakusztikai átalakító, fordított folyamat zajlik le benne, mint a mikrofonban. A lengőcsévébe vezetett hangfrekvenciás áram mágneses mezeje kölcsönhatásba lép a permanens mágnes

mezejével és a membrán rezgésbe jön. 25 Rajzjel: permanens mágnes lengő tekercs 2.52-6 ábra Ultrarövid-hullámú rádió műsorszórás. Az amplitudómodulált adók 9 kHz-es sávszélessége maximálisan 4,5 kHz frekvenciájú magas hangok átvitelét teszi lehetővé. A beszédérthetőséghez elegendő ez a sávszélesség, de a zenei műsorok gazdag felharmonikus tartalma már kiesik ebből a szűk sávból. Az amplitudómoduláció hátránya, hogy a hasznos jelre szuperponált zajok is az amplitudóban jelentkeznek, a zaj ellen nem lehet védekezni. A frekvenciamoduláció jelentős sávszélesség igénye csak az ultrarövid-hullámú sávban biztosítható. Mivel ezek a hullámok csak térhullámok formájában terjednek (egyenes vonalban és nem követik a Föld görbületét), egy-egy adó vételkörzete max. 80 km. Nem zavarják egymást az adóállomások úgy, mint a túlzsúfolt közép-hullámú sávban Adott a lehetőség az adások nagyobb

sávszélességére, a magas hang átvitel 15 kHz-ig is biztosítható. A frekvenciamoduláció nem érzékeny a zajra Információt a vivőhullám frekvenciája hordozza, az amplitudó konstans. Zajos csatornán az FM jelre is szuperponálódnak zajok az FM jel amlitudójára, a jel időfüggvényét ki is csipkézi a zaj. De ezek egy limiter áramkörrel levághatók. Az FM jel előállításának egyik módszere az un. direkt módszer Itt a vivő frekvenciáját közvetlenül a moduláló jel változtatja, modulálja. Ez a módszer a hangfrekvenciás műsorszórásban használatos. A direkt moduláció technikailag nem képes az oszcillátor frekvenciáját a kívánt frekvencia lökettel modulálni, hanem annak csak tört részével. A frekvenciamoduláció korszerű eszköze a varicap dióda, amelynek kapacitása a záró feszültséggel állítható. A kapacitásátfogás (maximum - minimum arány) kb. ötszörös, ezzel a kívánt frekvencia löket tized, tizenketted része

biztosítható csak. Ezért a gyakorlatban a kívánt vivőfrekvenciánál 26 alacsonyabb frekvencián történik a direkt FM, majd ezt frekvencia sokszorozóba vezetve előállítják az adóra jellemző vivőfrekvenciát és vele együtt a kívánt frekvencia löketet is. A 2.52-7 ábrán a direkt moduláció elvét mutatjuk be Legyen az alap oszcillátor frekvenciája 5,5 MHz, ezt a frekvenciát a Thomson formula szerint az oszcillátor blokkból kiemelt párhuzamos rezgőkör L, C eleme határozza meg. Kapcsoljuk ezzel párhuzamosan két hangfrekvenciás csatoló kondenzátoron keresztül a D jelű varicap diódát. A varicap dióda záró irányú előfeszítést kap, amelyre szuperponálódik a moduláló feszültség. A CD dióda kapacitás az információ tartalom időfüggvénye szerint változik. Mivel a dióda kapacitás párhuzamosan kapcsolódik C-vel, ezért az oszcillátor frekvenciája változik a moduláló jel szerint, azaz kis löketű FM jelet kapunk. A varicap

diódás áramkört reaktancia modulátornak nevezzük. reaktancia modulátor U m (t) U m (t) CD D L C reaktancia modulátor  alaposzcillátor + záró előfeszítés alaposzcillátor 5,5 MHz f v = 5,5 MHz f= 6,25 kHz 2.52-7 ábra Az amplitudómodulációnál a vivőhullám frekvenciáját gondosan stabilizálják, hogy a behangolt vevőkészülékekkel ne kelljen az adó frekvencia változásait után hangolással követni. Az FM lényege, hogy a frekvencia változás az információ hordozója, az alap oszcillátor ezért nem lehet kvarcstabilizált, hangoló körét a reaktancia modulátor befolyásolja. Az FM adás funkcionális vázlatát a 2.52-8 ábrán adtuk meg A frekvenciában modulált alap oszcillátor kijövő jelét frekvenciasokszorozó fogadja. Az ábrán 12-szerező 27 fv f szerepel. A frekvenciasokszorozó olyan áramkör, amely koszinuszos bementi feszültségből annak előirt felharmonikusát állítja elő. Frekvencia sokszorozásra

felhasználható valamely nemlineáris tartományban működő áramköri elem, pl. tranzisztor, kimeneti hangolt rezgőköre a bementi jel frekvenciájának egész számú többszörösére van beállítva és csak ezt továbbítja, az alatta lévő frekvenciákat nem engedi tovább. A gyakorlatban a frekvencia sokszorozás több fokozatú, pl. a 12-szerezés egy háromszorozóból és négyszerezőből áll A frekvencia sokszorozó kimenetén a kívánt frekvenciájú és löketű FM jelet kapjuk. Teljesítmény erősítés után a jelet az antennára vezetik és műsort kisugározzák. U m (t) reaktancia modulátor antenna f v = 66 MHz f= 75 kHz f v = 5,5 MHz f = 6,25 kHz frekvencia sokszorozó 12x alap oszcillátor teljesítmény erősítő 64 MHz - 66 MHz = 2 MHz aluláteresztő szűrő FM hibajel + információ keverő AM átalakítő referencia oszcillátor 64 MHz kristályoszcillátor 2.52-8 ábra A 2.52-8 ábrán megadtuk a frekvencia stabilizáló rendszert

is Elemi követelmény, hogy a kiválasztott adóra hangolt vevő állomáskereső gombját ne kelljen csavargatni az adó frekvencia változásai miatt. Mivel az alap oszcillátor nem kvarcstabilizált, ezért a sokszorozott jel frekvenciája lassú ingadozást mutat a névleges érték körül. A frekvencia változás másodpercek, percek alatt következik be, azaz nagyságrendekkel lassúbb a frekvencia információ tartalom szerinti változásánál. A frekvencia szabályozó rendszernek funkciója, hogy hatékony legyen a lassú frekvencia 28 ingadozásokra, de ne működjön a moduláló jel ütemében. Ezt a követelményt az alul áteresztő szűrő elégíti ki, amely engedi működni a szabályozást a lassú frekvencia ingadozás ellensúlyozására, de nincs hatással a frekvenciamodulációra. A végleges vivőfrekvenciájú és löketű FM jelet (pl. 66 MHz) és egy helyileg előállitott stabil frekvenciájú (kristály vezérelt) referencia oszcillátor jelet (pl.

64 MHz) keverő fokozatra vezetve kimenetén megkapjuk a két frekvencia különbségét, pl. 66 MHz 64 MHz = 2 MHz Ez a különbségi jel olyan átalakítóra kerül, amely a frekvencia változást amplitudó változássá alakítja (frekvencia diszkriminátor). Abban az esetben, ha a névleges 2 MHz-es vivőt kapja, nem ad ki szabályozó feszültséget, ha viszont eltérést tapasztal, bármelyik irányban, akkor az eltéréssel arányos nagyságú és értelmű feszültséget ad kimenetén. Az átalakító az információ tartalom szerinti frekvencia változást és a vivőfrekvencia nem kívánatos ingadozását is feszültség változássá alakítja. A 252-8 ábra alapján az átalakító kimenete tartalmazza ezen utóbbi jelenségből következő lassú hibajelet és az információ szerinti gyors feszültség változásokat. Az alul áteresztő szűrő csak a lassú frekvencia változásokra érzékeny és engedi működni a visszacsatoló ágat. A negatív visszacsatolás

eredményeként az adóra jellemző vivőfrekvencia stabil lesz és a visszacsatolás nem zavarja a létrehozott frekvenciamodulációt. A referencia oszcillátorból, keverőből, átalakítóból, alul áteresztő szűrőből álló hurkot automatikus frekvencia szabályozónak (Automatic Frekvency Control: AFC) nevezzük. állomásválasztó keverő AGC f KF FM demodulátor KF erősítő hangfrekvenciás erősítő hangszóró hangolás oszcillátor AFC AGC: Automatic Gain Control AFC: Automatic Frekvency Control 2.52-9 ábra 29 A 2.52-9 ábrán a mono FM vétel szokásos funkcionális vázlatát adtuk meg Az URH tartományban az antennával szemben támasztott követelmények magasabbak, mint nagyobb hullámhosszakon. Legjobb eredményt a hangolt antennák adják Az állomásválasztás, mint minden vevőkészülékben, a rezonancia elve alapján történik. A párhuzamos rezgőkör hangoló szerve forgó kondenzátor, a rezgőkörről levett jel a keverő fokozatba

jut. A vett jelet a helyi oszcillátor jelével keverve kapjuk a közép frekvenciát (fKF). A közép frekvencia szokásos értéke az ultrarövid-hullámú sávban 10,7 MHz Bármely FM adás vétele esetén ugyan azt a KF értéket úgy kaphatjuk, ha az állomásválasztó gomb kényszerkapcsolatban van az oszcillátor hangoló szervével. A keverő a vett műsort transzponálja mindig ugyanarra a középfrekvenciára információ veszteség nélkül. Fix középfrekvencián biztosítható az erősítő optimális működése, itt történik a távolabbi FM adók jelének erősítése. Az FM demodulátor feladata az információ tartalom (hang) leválasztása a vivőről. A demodulálás két lépcsőben valósítható meg: először az FM jelet AM jellé alakítjuk (pl. nem pontosan vivő frekvenciára, hanem kicsit mellé hangolt) párhuzamos rezgőkörrel. A kapott AM jelet burkológörbés detektorral demoduláljuk. A demodulált jel három felé ágazik:  - hangerősítés

után működteti a hangszórót,  - működteti az AFC áramkört, ezzel megkönnyíti a készülék finom hangolását,  - működteti az automatikus erősítés szabályozást (Automatic Gain Control = AGC). Az AGC áramkör is a negatív visszacsatolás elve alapján működik. Alacsony jelszintű vételnél növeli a középfrekvenciás erősítő erősítését, ill. fordítva avatkozik be közeli, nagy teljesítményű adók vételénél, megakadályozva ezzel a túlvezérlést. 2.53 Sztereofónikus rádió adás-vétel A monofónikus rendszerek a hang magasságát és intenzitását veszik figyelembe az átvitel során. Ha a jelenlét érzését is figyelembe vesszük, akkor a két füllel való érzékeléshez hasonlóan a hangforrás térbeli jellemzőit is továbbítani kell. Mivel a sztereo rendszerek mellett továbbra is működnek monofónikus rádió adók és monofónikus rádió vevők, a kétoldali kompatibilitás elengedhetetlen követelmény: sztereo adás

vétele mono vevővel, mono adás vétele sztereo vevővel. Ez az igény kizárja az olyan rendszerek használatát, amelyek két csatornán továbbítják a sztereo jelet. 30 A két füllel történő érzékelésnek megfelelően a sztereo jelleg megragadáshoz (minimum) 2 mikrofon szükséges, ezek egymásra merőlegesek és paramétereik azonosak. Jelöljük ezeket R (right) ill. L (left) betűkkel Ha egy hangforrás a két mikrofontól azonos távolságra van, akkor az UR = UL . Mozgó hangforrás esetén mindig az a mikrofon ad nagyobb jelet, amelyikhez a az közelebb van. A teljes értékű monofónikus információt (jele legyen M) a két oldali jel összege biztosíthatja. A térbeliséget viszont megragadhatjuk a mikrofonok szolgáltatta jelek különbségeként. Jelöljük a térbeliséget S-el, a jobb és bal jeleket pedig egyszerűen R-el, L-el: S=L-R M=L+R L R L+R +  M -R + L-R S Kódoló mátrix 2.53-1 ábra A fenti két egyenlettel a két oldali

kompatibilitás biztosítható, a megvalósító funkcionális egységet mátrix áramkörnek nevezzük. Kapcsolástechnikailag a két bemenetű, 1-szeres erősítésű műveleti erősítő alkalmas mátrixolásra, tud két jelet összegezni, fázist fordítani (2.53-1 ábra) A jelek mátrixolása az adó oldalon történik. A jobb és baloldali jelek szétválogatása a vevőben valósul meg. A dekódolás egyenletei: M + S = (L + R) + (L - R) = 2L M - S = (L + R) + (L - R) = 2R Az oldaljelek amplitudója a dekódolás során kétszeres lesz, de ez nem változtat a hordozott információ tartalmán (2.53- 2 ábra) 31 M M+ + S  2L -S M-S + 2R dekódoló 2.53-2 ábra A mono (M) információk sávszélessége 0,03 . 15 kHz tartományba esik, ezt a tartományt a mono FM vevők a szokásos módon feldolgozzák, tehát az M jel kisugárzásával a kompatibilitás biztosított. A sztereo rendszerek többlet információja csak nagyobb sávszélességgel biztosítható. Az

adó oldalon az S információt 38 kHz-es segédvivőre ültetik elnyomott vivővel, két oldalsávos amplitudómodulációval. A lefoglalt sávszélesség 53 kHz - 23 kHz (2.53-3 ábra) A 38 kHz-es segédvivőt 19 kHz-es pilot jel kétszerezésével állítják elő. Mivel az S információt tartalmazó AM jel elnyomott vivőjű, ezért a sikeres dekódoláshoz az adó kisugározza csökkentett amplitudóval a pilot jelet is, így a vevőben lehetőség van a helyi 19 kHz-es oszcillátor szinkronizálására. Kétszerezés után minden vevőben rendelkezésre áll a koherens 38 kHz-es vivőhullám. 32 U MPX 0,03 S S M 15 19 23 38 53 f [kHz] 2.53-3 ábra A mono jel, a pilot jel, és a két oldalsávos AM jel összege a sztereo multiplex jel (MPX). Az adó oldali kódoló funkcionális vázlatát a 253-4 ábra tartalmazza. A sztereo rádió adó funkcionális vázlata a 2.52-8 ábrával megegyező felépitésű, eltérés annyi, hogy a moduláló jel a mikrofonok

jeléből kódolt MPX jel. A sztereo vevő felépitése a mono URH vevőhöz hasonlit (2.52-9 ábra), de az kiegészül a sztereo dekódolóval. Funkcionálisan a dekódoló az FM demodulátor és hangfrekvenciás erósítő közé ékelődik be, két csatornás a hangfrekvenciás erősitő, két hangszóró (L,R) van. A sztereo vevő középfrekvenciás erősítője lényegesen nagyobb, mint a mono vevőben. A mono vevő KF fokozata csak 15 kHz sávszélességű, ezért frekvencia spektrumból (2.53-3 ábra) csak az M információt továbbítja a demodulátor 33 felé. A sztereo vevőben a KF fokozat sávszélessége 53 KHz, ezért a demodulátor a teljes MPX jelet képes szolgáltatni. demodulált MPX jel 0,03.15 kHz szűrő M 19 kHz szűrő 2x burkoló görbés demodulátor + S  23.53 kHz szűrő + 2L + 2R -S M 2.53-4 ábra 2.6 Képátvitel A kép, ill. képek továbbítása alapvetõen eltér a hang átvitelétõl A hang idõfüggvény formájában adott, a

képátvitelnél elsõdleges feladat a kép jellemzésére alkalmas idõfüggvény létrehozása. Paul Nipkov már 1884-ben felismerte, hogy a kép elegendõen kicsiny részleteirõl kell megállapítani annak fényességét, azt továbbítani a vétel helyére és ott a fényesség jeleket megfelelõ sorrendben megjeleníteni. A mechanikus, elektromos elemeket tartalmazó kísérleti összeállítás egyértelmûen igazolta, hogy lehetséges rögzített szabályok szerint a képet felbontani, ezáltal létrejön az idõfüggvény, amely egy csatornán továbbítható a vétel helyére. A vevõben az érkezõ idõfüggvény a képbontásnál alkalmazott szabályok szerint megjeleníthetõ. Megfelelõ feltételek mellett a felvillanó képpontok a szemben képpé állnak össze. 2.61 A fényesség átvitele A vizuális élményt optika síkba leképezi, tekintsünk el a színektõl és a mozgástól, tehát fekete - fehér állókép továbbítással foglalkozzunk. Mibõl áll a kép,

pl egy nagy 34 nagyítású, szemcsés fekete - fehér fénykép? Nagyítóval megfigyelve a képet, azt különbözõ tónusú (fehér . szürke fekete) képpontok alkotják Ha a kiválasztott képrészlet elegendõen kicsiny, akkor felületén belül a fényesség ingadozásokat elhanyagolhatjuk és a képpont fényességéhez egy számot is rendelhetünk. Ha ezeket az értékeket folyamatosan egymás után vesszük rögzített sorrendben, akkor eredményül idõ függvényt kapunk, amely (villamos) jellé alakítás után átvitelre alkalmas. A vevõ oldalon a jelfeszültség idõ függvényét fényesség jelekké kell alakítani. Lehetséges ezeket a fényesség jeleket fotó papírra exponálni egymás mellé, alá rögzített sorrendben, a vett képet elõhívás után szemlélhetjük. Ebben az esetben a bontási - visszaadási idõ nem játszik szerepet a képátvitelben. Ha a képet sokkal kisebb késési idõvel szeretnénk megjeleníteni, akkor gyorsabb bontás, ill.

képvisszaadás szükséges, s olyan megjelenítés, amelynek felületén az egyes képpontok kellõ ideig (a szem fiziológiai adata) után világítanak. Ilyen tulajdonságú pl. televíziós képcsõ Hány képelemre bontsuk fel a képet? Fekete - fehér képnél az emberi szem felbontóképessége 2 szögperc, az optimális kép-nézõszög függõleges irányban 20 fok. Legyen a képméretarány 3:4, fekvõ kép. Függõleges irányban (n1) és vízszintesen (n2) a képelemek száma: n1 = 20 fok/2 perc = 600 n2 = 600 . 4/3 = 800 A képet a szem felbontóképessége miatt 600 körüli sorokra kell bontani, azért, hogy a szem ezeket ne érzékelje. Kevesebb sorszám esetén a visszaállított kép szétesõ lesz, látjuk a sorokat és ez zavaró. A hazai televíziós rendszereknél a sorok száma 625 Az összes képelem szám: n = n1 . n2 = 600 800 = 4,8 105 A kép bontásakor idõ függvény keletkezik. Legyen a kép sakktábla rajzolatú és a fekete mezõk száma 240 000, a

fehér mezõk száma ugyanennyi. A bontás során kapott jel periódikus lesz, a periódusok száma 240 000, általában n/2. Ha másodpercenként 1 periódust realizálunk (bontunk), akkor 1 Hz lesz a képjel frekvencia és 240 000 másodperc a teljes bontási idõ. Legyen a teljes kép átvitelének ideje T, ekkor a képjel frekvencia: periódusok száma/átviteli idõ. A sakktábla-szerû kép a legbonyolultabb, ekkor kapjuk a képjel frekvencia maximális értékét: 35 fM n n 2   T 2T Hz (2.61-1) Ez a képtávíró alapegyenlete. Pl továbbítsunk fényképet, legyen az átviteli idõ 80 másodperc, ekkor a legbonyolultabb képesetén is a maximális frekvencia 3 000 Hz, tehát kellõen hosszú idõ alatt közönséges telefonvonalon is lehet állóképet továbbítani. Az egyenletbõl az is kitûnik, hogy ha nagyobb sávszélességû csatorna áll rendelkezésre, akkor rövidebb idõ alatt is továbbítható kép. Pl 40 ms-os továbbítási idõhöz 6 MHz-es

csatorna szükséges változatlan képpontszám esetén. Mekkora a jelfeszültség legalacsonyabb frekvenciája? Olyan kép átvitele esetén kapjuk, amelyen nincs részlet, egyöntetûen azonos árnyalatú. A felbontás során minden képpont azonos jelfeszültséget ad. Az ilyen jel idõben konstans, tehát egyen feszültség, frekvenciája 0 Hz. A továbbítandó kép egyes képpontjaihoz rendelhetõ fényességet a televízió technikában Y jelnek nevezzük. 2.62 A mozgás illúziója A filmvetítés a szem tehetetlenségét használja ki. Másodpercenként 24 állóképet vetítve szemünk folyamatos mozgást érzékel. A televíziós rendszerek a hálózati frekvencia felére (25 kép/s, 30 kép/s) választják a másodpercenként továbbított képek számát. A választás indoka: a hálózati táplálás szûretlenségei így kevésbé zavaróak, olcsóbb tápegységek használhatók. Másodpercenként 25 képet továbbítva az 1 kép átviteli ideje 1/25 s = 0,04 s = 40 ms.

Ekkor a képtávíró alapegyenlete (261-1) szerint fM = 6 MHz, a minimális frekvencia változatlanul 0 Hz (a kép egyenletes tónusú, nincsenek részletek). A lefoglalt sávszélesség 6MHz - 0 Hz = 6 MHz. A 26 2 - 1 ábrán a lefoglalt sávszélességet jelképesen egy téglalappal adtuk meg, a spektrum pontosabb szerkezetére a 2.65 fejezetben még visszatérünk. amplitudó 36 6 0 frekvencia [MHz] 2.62 - 1 ábra A másodpercenkénti, amely a szem gyors kifáradását eredményezi. A villogás a filmvetítés során is zavaró, ezért ott a vetítõgép kapujában lévõ filmkockát kétszer vetítik le. Ez úgy érhetõ el, hogy míg a kép a kapuban áll, ezalatt forgó pilla kétszer engedi a fényt át rajta. Minden kép kétszer jelenik meg a vetítõ ernyõn Ezáltal 24 képet vetítve másodpercenként, a villogás frekvenciája 48 Hz lesz, amely a szemet már nem zavarja. Hasonló elvet alkalmaz a televízió átvitel is. A képernyõ nem 25-ször villan fel,

hanem 50-szer, s ez már oly gyors, hogy a szemet nem zavarja. Az eljárást váltott soros letapogatásnak nevezik. Minden kép két félképbõl áll: a páratlan sorokból és a páros sorokból álló félképbõl. A képernyõnek olyan nagy az uránvilágítása, hogy szemünk együtt látja a két félképet. A képbontás a páratlan sorokban kezdõdik: 1, 3, 5, , 623, 625 Visszafutás után a bontás a páros sorokon folytatódik: 2, 4, 6, . 622, 624 A kép összerakásának sorrendje természetesen a bontással szinkron történik. Szinkron jelek. Két féle szinkron jel szükséges a bontás és megjelenítés összehangolásához: a sor szinkron jel (vízszintes irányú) és kép szinkron jel (függõleges irányú). A bontásnak és a megjelenítésnek rögzített rendje van. A képbontás balról jobbra halad, minden sor végérõl vissza kell futni a következő sor elejére . Ugyanígy van visszafutás az utolsó páratlan sor végérõl az elsõ páros sor elejére,

illetve az utolsó páros sor végérõl az elsõ páratlan sor elejére. Másodpercenként 25 teljes képet továbbítva és képenként 625 sort felbontva a sorfrekvencia értéke: 25 Hz . 625 = 15 625 Hz A sorfrekvencia reciproka a periódus idõ, amely 64 mikroszekundum, ebbõl 52 mikroszekundum a bontási idõ és 12 mikroszekundum a visszafutási idõ. Tekintettel a váltott soros letapogatásra, a félkép váltás frekvenciája 50 Hz, a periódus idõ 20 ms. Egy félkép bontása vagy megjelenítése 18,4 ms ideig tart, a visszafutás 1,6 ms. Ezen utóbbi jelentõs holtidõ a televíziózás szempontjából, ezt hasznosítják a teletextes szolgáltatások. A képbontást a kamera végzi. A vizuális élményt optika síkba leképezi A következõ feladat az optikai képnek megfelelõ villamos kép elõállítása. Ezt fényérzékeny anyaggal lehet biztosítani. A fényérzékeny anyag az optikával szembeni felületem kb fél millió elemi cellából álló kicsiny

kondenzátor. Töltése a képelemre jutó fény intenzitásával arányos, rendelkezésre áll a villamos kép. A képbontás ezen képelemek információ tartalmának kiolvasását jelenti. Soronként kb 800 képelem van, ennek bontási ideje 52 mikroszekundum. Csak elektronikus bontás jöhet szóba Elektronsugár végzi az elemi cellák kiolvasását, melyet a sorfrekvenciás jel mozgatja visszintesen és a képfrekvenciás szinkron jel pedig lefelé az elõre rögzített szabályok szerint. A fekete - fehér kamera kimenõ jele a képjel (videojel), amely a képpontok hely függvényébõl idõ függvényt állit 37 elõ (fényesség információkkal arányos villamos jelek idõben adagolt sorozatát). A kép vagy videó jel sávszélessége a 2.62 -1 ábra szerint 6 MHz 2.63 A színesség Fekete - fehér képnél a szem felbontóképessége (2.61 fejezet) 2 szögperc Fiziológiai adat, hogy színes kép szemlélésekor nem igényli ezt a finom felbontást, sokkal szétesõbb

kép sem zavarja a vizuális élményt. Színes képnél a szem felbontóképessége 10 szögperc. Ez ötszöröse a fekete - fehér képre érvényes adatnak Ez azt is jelenti, hogy a bontásnál keletkezett képjel maximális frekvenciája nem 6 MHz, hanem elegendõ 1,2 MHz is. A fény az elektromágneses hullámoknak azon tartománya, amelyet a szem képes érzékelni. A továbbítandó kép valamely pontjából érkezõ fénysugár két jellemzõvel adható meg: a fényességgel és színességgel. A fényesség továbbítás elvi problémáival a 261 fejezetben foglalkoztunk. A színesség elsõ közelítésben analógiát mutat a hangmagassággal. A látható fény tartományában a rövidebb hullámhossz a kék fénynek, a hosszabb a vörösnek felel meg. De a környezetünkben leggyakrabbak a keverék színek Pl szemünk éppen olyan sárgának látja a sárga szín hullámhosszának megfelelõ fénysugarat, mint a piros és zöld sugarak megfelelõ arányú keverékét. A

színesség jellemzéséhez célszerû bevezetni a keverék színek helyett az ekvivalens színérzetet keltõ spektrál szín hullámhosszát. Ekkor leegyszerûsödik a színes képpont információs jellemzése Valamely képpontot jellemzi a felõle érkezõ fény hullámhossza és intenzitása. Az intenzitás jellemzésére a televízió technikában az Y jel szolgál (2.61 fejezet utolsó bekezdése) A színesség ekvivalens hullámhossza igen változatos keverési módszerek létezését sejteti. Közismert, hogy a televízió, a számítógép képernyõje mindössze három féle képpontból áll össze. Vannak vörös (red, R), zöld (green, G), és kék (blue, B) színû fényt kibocsátó foszforpontok, amelyeket RGB alapszíneknek nevezünk. Követelmény, hogy bármelyik kettõbõl ne lehessen a harmadikat elõállítani. Ezzel a három színnel 16 millió keverék színt lehet elõállítani. A keverés alapelve az RGB komponensek arányának és a fényességnek a

változtatása. Az Y jel két szélsõséges értékét a fehér ill. fekete képpontoknál kapjuk Az RGB alapszíneket úgy választották meg, hogy a komponenseket megfelelõ arányban összeadva fehér fényt kapjunk: Y = 0,3 R + 0,59 G + 0,11 B (2.63-1) Fehér fény fizikailag nem létezik, ekvivalens hullámhossza sem adható meg. Szemünk a három választott alapszín fenti arányú keverékét érzékeli fehérnek. A 263-1 kifejezést a háromszín elmélet alapegyenletének nevezzük, magában hordozza a fekete fehér, valamint a színes televíziózás kompatibilitásának lehetõségét. A fekete - fehér vevõkészülékek az Y világosság jelet dolgozzák fel, ezért a színes adónak ezt az 38 információt feltétlenül továbbítania kell. Az alapegyenlet szerint elegendõ még két további információ továbbítása, mert az ismeretlen negyedik mennyiség már egyértelmûen elõállítható. Redukáljuk nullára a 2.63 - 1 egyenletet: 0 = 0,3 (R - Y) + 0,59

(G - Y) + 0,11 (B - Y) (2.63 - 2) Világosság tartalom nélküli un. színkülönbségi jeleket kapunk, a vörös-, a zöld-, a kék színkülönbségi jelet. A színes tv-rendszerek (az amerikai NTC, a francia SECAM, a német PAL) az Y világosságjelen kívül -amely a színes adás fekete-fehér készülékkel való vételét teszi lehetõvé- a színkülönbségi jelek közül kettõt (vörös, kék) továbbítanak. 2.64 Színkivonatok elõállítása Színkivonatokat a színes kamera állítja elõ. A színbontó rendszer három képfelvevõcsövet tartalmaz (2.64 - 1 ábra) 39 T J vörös cső UR K optika F F J zöld cső fehér fénysugár UG K T J UB kék cső K F T K J : : : : félig éteresztő tükör tükör korrekciós szűrő jellemez 2.64-1 ábra A színbontás fontos eleme a két félig áteresztõ tükör (F). Az egyik csak a kék fényt tükrözi, de átengedi a vörös és zöld színeket. A másik tükrözi a vörös fényt és átengedi a

zöldet. A T jelû tükrök minden szín komponenst tükröznek Az optika a J jellemezen alkot éles képet A vörös-, zöld-, kék jellemez eltérõ útvonalon kapja a fénysugarat, de az optikától azonos távolságra vannak. Tekintsünk egy az optikából kilépõ fehér fénysugarat Az elsõ szelektív tükör leválasztja a kék szín komponenst és T a kék csõ jellemezére irányítja. Az elsõ F tükör után megmaradó vörös komponenst a második szelektív tükör és egy újabb T tükör juttatja a vörös bontó csõre. A fehér fénysugárból kivont kék, vörös komponens után megmaradó fény zöld színû, ezt kapja a zöld bontócsõ. A bontócsövek a színkivonatok optikai képét villamos jellé és idõ függvénnyé alakítják és kapjuk az UR , UG, UB jelfeszültségeket. A vörös, zöld, kék információk értelemszerûen villamos jelek, ezért az indexes jelölés helyett gyakran csak az R, G, B hivatkozást alkalmazzuk. A három fénycsatornában

korrekciós optikai szûrõkre is szükség van a torzulások elkerülésére. A háromszínelmélet alapegyenlete szerint (2.63 - 1 és 263 -2) az R, G, B alapján az Y jel elõállítható, ennek ellenére vannak olyan színes kamerák, amelyekben a 4. bontócsõ állítja elõ az Y jelet. 40 A szín komponenseket végsõ soron a vevõkészülék képcsöve hasznosítja. Ha a bontócsõ R, G, B jeleit közvetlenül a képcsõre vezetnénk, jelentõs felületi világosság eltérést észlelnénk. Oka az, hogy a visszaalakítást leíró egyenlet nem lineáris, hanem hatvány függvény és a hatvány kitevõt gammával szokás jelölni. Ezt a függvényt jól lehet elektronikusan modellezni, neve gamma korrektor. Ha a visszaalakításban ilyen korrekciót alkalmazunk, akkor a felületi világosság torzulása megszûnik. Elkerülendõ, hogy minden tv vevõkészülékbe gamma korrektort kelljen építeni, ezt a torzító áramkört az adó oldalon helyezik el (2.64 - 2 ábra) A

korrigált szín komponenseket a sztereo hang kódolóhoz hasonló mátrix áramkör fogadja és állítja elõ a világosság jelet (Y) és a színkülönbségi jeleket (R-Y, B-Y) 41 2.65 Az Y jel spektruma R` A spektrum R valamely jel frekvencia komponenseitmés azok amplitudóját jeleniti meg Y a frekvencia függvényében. Az Y jel a kép világosság tartalmát jelenti, már láttuk a 2.62 á G`  t 1. ábrán, hogy mozgó kép átvitelénél a lefoglalt sávszélesség G korrekció r 6 MHz, de mint ott jeleztük a jel struktúráját az ábra nem szemlélteti. Általában igaz, hogy a periodikus idõ függvények i B` x spektruma nemB folytonos, hanem vonalas. Az Y jel a képbontás során keletkezik, periodicitását a sorfrekvenciás- (15 625 Hz) és a félképfrekvenciás- (50 Hz) szinkron jelek kölcsönzik. A világosság jel spektrumát vonalak jellemzik, a vonalak a sorfrekvencia egész számú többszöröseinél jelentkeznek, de a spektrum vonalak amplitudója a

harmonikusok R-Y távolságra lévõ m sorfrekvencia számának növekedésével csökkenõ tendenciát mutat. A á spektrum vonalak környezetében félkép frekvenciás t(50 Hz) spektrum vonalak is r megjelennek. A videojel spektrumában az alacsony frekvenciájú jelek fordulnak elõ nagy i B-Y x amplitudóval, a nagy frekvenciájú jelek amplitudója ezekhez viszonyítva kicsi. Ez a tulajdonság lehetõséget nyujt a videojel csonkaoldalsávos amplitudómodulációjára. Az alacsony frekevenciás képjel komponensek 2.64-2 ábrakétoldalsávosan továbbíthatók A kis amplitudójú magas frekvenciás részek modulációjánál a modulációs index kicsi, ekkor ha csak egy oldalsávos AM jön létre, a torzítás nem számottevõ. Az ilyen modulált jelet jól lehet demodulálni burkológörbés detektorral. Ez a felismerés vezetett el, ahhoz a gyakorlathoz, hogy a televíziós adók a képet csonkaoldalsávos amplitudómodulációval továbbítják. A felsõ oldalsáv 6 MHz, a

csonkított alsó oldalsáv 1,25 MHz 42 amplitudó 0 6 frekvencia [MHz] 2.65-1 ábra 2.66 Az R, B információk beszövése az Y jel spektrumába A 2.65 - 1 ábrán látható, hogy az Y jel nem tölti ki a 6 MHz-es sávot folytonosan Ugyan ez érvényes a vörös és kék színkivonatokra is, ezek spektruma is vonalas, csak a szem felbontóképessége 10 szögperc a színes jelekre, ezért ezen jelek lefoglalt sávszélessége is jóval kisebb, mint az Y jelé. A színes rendszerek megjelenése elõtt már rögzítették a televíziós csatornák lefoglalható sávszélességét, egy-egy adó sávszélessége 8 MHz lehet, ebben van a képadó és hangadó is. A színes és monokromatikus rendszerek kompatibilitása miatt ezt a sávszélességet nem lehet túl lépni, a kép is csak csonkaoldalsávos amplitudómodulációval fér el ebben a sávszélességben. Tehát a színek többletinformációját is az Y jel spektrumában kellene elhelyezni. Erre a vonalas spektrum adja a

reális lehetõséget. Ezekben a spektrumokban vannak kihasználatlan helyek, olyan az Y jel, mint egy csökkenõ fog méretû fésû. Hasonlóan néz ki a vörös és kék információk spektruma is, csak ezek kisebb sávszélességüknél fogva "kisebb fésûk". Lehet az Y jel amplitudó (energia) minimum helyein színinformációkat elhelyezni. Ezt az eljárást nevezik spektrumbeszövésnek. A különbözõ színes rendszerek (NTSC-, SECAM-, PAL kódoló) technikailag más módszerekkel oldják meg a problémát. Közös az, hogy alkalmasan megválasztott színsegédvivõre modulálják a színeket és ezzel elérhetõ a spektrumbeszövés. Európában legelterjedtebb a PAL kódoló. A PAL elnevezés a Phase Alternation Line (soronkénti fázisváltás) rövidítése. Alapgondolatát W. Bruch a Telefunken vállalat kutató laboratóriumának vezetõje publikálta 1960-ban. A PAL rendszer egy színsegédvivõt használ a spektrumbeszövéshez és erre két információt

(vörös-, kék színkülönbségi jel) ültetnek amplitudómodulációval. Ugyanaz a vivõ kvadratúramodulációval képes a két információ fogadására. Mivel a színsegédvivõ 4 433 618,75 +- 1 Hz (a videojel sávjában van, tehát képernyõn látható), ezért az AM elnyomott vivõjû. Ezen tulajdonságok a demodulálást teszik bonyolultabbá A 266 - 1 ábrán a PAL kódoló leegyszerûsített funkcionális vázlatát adtuk meg. A kék színkülönbségi jel (B-Y) modulátora közvetlenül kapja a színsegédvivõt és létrejön a vivõ adott 43 fázishelyzetében a kétoldalsávos, elnyomott vivõjû AM. A vörös színkülönbségi jel modulátora soronként váltakozva kap +90 fok ill. -90 fok (270 fok) fázisszögû színsegédvivõt és itt is létrejön a kétoldalsávos, elnyomott vivõjû AM. A színsegédvivó fázisszögét azért váltogatják ellentétes elõjellel (+90 fok, -90 fok), mert így az átviteli láncon mindenképpen fellépõ fázisszög hiba

ellentétes értelmû elszínezõdést eredményez, az egyik torzít a meleg színek, másik a hideg színek irányába. Ezt a kompenzációs lehetõséget a vevõ készülék hasznosítja. A + jelû összegzõbe a két modulált színkomponens mellett csatlakozik az Y fényesség jel, mivel ennek sávszélessége nagyobb a színjelek sávjánál, ezért a vezetéken gyorsabban halad, késleltetni kell. Az összegzõbe kerül még a sor-, ill. félkép szinkron jel A színjeleket demodulálni csak koherens hullámokkal lehet a vevõben, ez a feltétel csak az adó által kisugárzott szinkronizáló jellel valósítható meg. Mivel a színsegádvivõt frekvenciája mellett fázisszöge is jellemzi, így ezeket az adatokat is továbbítani kell a vevõhöz. Ez a Burst jel A burst jelet a sorszinkronjel hátsó vállára szuperponálják. A színsegédvivõ fázisszögét a PAL kapcsoló váltogatja soronként. 2.67 Televízió adás-, vétel funkcionális vázlata kamera 264 1 

korrekció mátrixolás 264 2 szinkron mikrofo csonka old. aplitudó d lát PAL kódoló képvivő oszcillátor l 49 75 frekvencia d lát szűrő képadó végerősítő diplexer hang végerősít hangvivő oszcillátor l 56 25 2.67-1 ábra A televízió adás vázlata (2.67 - 1 ábra) tartalmazza a képadót és hangadót, ezek diplexeren keresztül közös antennára dolgoznak. A diplexer gondoskodik arról, hogy a két 44 antenn adó rész kölcsönösen ne zavarja egymást. A kép átvitelénél amplitudómodulációt, a hangátvitelnél frekvenciamodulációt használnak. A 2.64 -1 ábrán láttuk a kamerában lezajló folyamatokat, a színkivonatok elõállítását. Egyik fontos mozzanat az optikai kép villamos képpé alakítása, ez a jellemezen valósul meg. A képbontás eredményeként kapjuk az R, G, B idõfüggvényt A képek sorozata kelti a mozgás illúzióját. A kamera mûködését a sor- és kép szinkronjel vezérli A szinkronjelek a vevõben a

képpontok, állóképek rögzített sorrendû megjelenítéséhez szükségesek. A kamera jel az átviteli lánc végén a megjelenítõ képcsövet mûködteti. A képcsóben elektronsugár villantja fel a színes képpontokat. Az elektronsugár vezérlését nemlineáris, hanem hatvány függvény jellemzi, ezért szükséges a gamma korrektor, mint ezt a 2.64 -2 ábrával kapcsolatban már jeleztük. A gamma korrigált jelekbõl mátrix áramkörök állítják elõ a fényesség és színkülönbségi jeleket. A PAL kódolás (2.66 - 1 ábra) eredményeként kapjuk az összetett videó jelet, amely tartalmazza az Y jel spektrumába beszõtt vörös és kék információkat is, valamint a sor szinkronjelet, a sor szinkronjel vállára ültetett burst jelet, a félkép szinkronjelet. A PAL jel a képadó moduláló jele. A kép vivõ oszcillátor elõállítja az adóra jellemzõ frekvenciájú jelet. Az amplitudómodulátor kimenetén nem elnyomott vivõjû, két oldalsávos jelet

kapunk, ebbõl szûrõ állítja be az alsó oldalsáv csonkított részét, a csonka oldalsávot. A képadóra jellemzõ sugárzási teljesítményt végerõsítõ fokozat biztosija. A hang adó a 2.67 -1 ábrán csak szimbolikusan van jelölve, funkcionális szerkezete a frekvenciamodulált adás (2.52 -8 ábra) felépítésével azonos A televíziós adások szabványban megengedett sávszélessége 8 MHz, ezen belül található a képadó és hangadó lefoglalt sávszélessége (2.67 -2 ábra) 45 amplitúdó pl.:56,25 MHz pl.:49,75 MHz felső oldalsáv csonka oldalsáv frekvencia képvivő színsegédvivő hangvivő 8 MHz 2.67-2ábra A televíziós vétel funkcionális vázlata (2.67 -3 ábra) két részbõl tevõdik össze: a hang- és kép csatornából. Az állomásválasztás elvét itt is a párhuzamos rezgõkörök rezonáns tulajdonságai képezik. A programválasztó segítségével a venni kívánt adóra hangoljuk a vevõkészülék rezgõkörét, de vele

együtt - a szuper elvnek megfelelõen- hangoljuk az oszcillátor frekvenciáját is. Ha pl a programválasztó fkép= 49,75 van hangolva, akkor a helyi ozcillátor frekvenciája 87,75 MHz. A keverõ kimenetén fKF kép = 87,75 MHz - 49,75 MHz = 38 MHz kép középfrekvencia jelenik meg. A képpel együtt sugárzott hang is ad középfrekvenciás jelet: fKF hang = 87,75 MHz - 56,25 MHz = 31,5 MHz. 46 hangszóró hang erősítő rádiófrekvenciás erősítő program választó keverő hang demodulátor demodulátor 38MHz, helyi oszcillátor demodulátor hang KF erősítő 6,5MHz videó erősítő Y jel közös hangolás 3 rács 3 katód szinkronjel leválasztó színjel leválasztó Burst jel dekódoló R-Y G-Y B-Y sorszinkron jel képszinkron jel 2.67-3 ábra Az adó oldalon a képvivõ alacsonyabb, a hangvivõ magasabb frekvenciájú (2.67-2 ábra) Távolságuk 6,5 MHz. A vevõben keverés után megmarad a 6,5 MHz-es távolság, a kép és hang között (38 MHz

- 31,5 MHz), de itt a hang KF lesz a kisebb frekvenciájú. Megjegyezzük, hogy az egyes televíziós szabványok eltérõen rögzítik a kép- és hanghordozó távolságát a 6,5 MHz mellett gyakori az 5,5 MHz. A vevõkészülékek két normásak, az egyikrõl a másikra automatikusan átváltanak. A középfrekvenciás erõsítõ igen gazdaságosan- közösen erõsíti a képet és a hangot 47 A hangcsatorna. Az fKF kép és fKF hang frekvenciák távolsága (6,5 MHz, 5,5 MHz) független a helyi oszcillátor esetleges elhangolódásától, a különbség állandóságát az adóállomások igényesen stabilizált kép és hangvivõ hullámai biztosítják. A 267-3 ábrán két demodulátor is van. Az ábrán a felsõ a hangcsatorna fontos funkcionális egysége A dióda nonlineáris karakterisztikája keverõ funkciót is megvalósít. Keveri az fKF kép és fKF hang középfrekvenciákat és kimenetén megjelenik a hang középfrekvencia (6,5 MHz vagy 5,5 MHz). Ezután a már

korábban tárgyalt demodulátor (2121 fejezet) következik A képcsatorna. A 267-3 ábra második demodulátora a képcsatorna része A televíziós rendszerek többségében a képtovábbítás csonkaoldalsávos, nem elnyomott vivõjû, amlitudómodulációval történik. Az ilyen jelek egyszerûen demodulálhatók Az ábra második demodulátora egyszerû burkológörbés demodulátor. A demodulált jel szintjét a videóerõsitõ emeli a kívánt feszültség szintre. A képjelek 0 6 MHz sávszélességben tartalmazzák az eredeti kép fényesség információit és a spektrumbeszövés eredményeként a kódolt színeket. Olyan szûrõkört alkalmazva, amely visszatartja színsegédvivõt, gyakorlatilag az Y jelet kapjuk. A képet a képcsõ alakija vissza Ez egy vákuumelektronikai eszköz. Eltérített elektronsugár villantja fel a megfelelõ utánvilágítású képpontokat. Az elektronsugarat a képcsõ katódja emittálja Az Y jel a katódot vezérli és így lehetõvé

válik a világosság információk visszaalakítása. A színjel leválasztó kimenete a kódolt színinformációkat szolgáltatja. A dekódoláshoz szükséges a koherens színsegédvivõ. A sorszinkronjelre ültetett burst jel tartalmazza a színsegédvivõ néhány hullámát. Ezzel szinkronizálható a vevõkészülék színsegédvivõ oszcillátor és elõáll az adóval koherens színsegédvivõ. Demodulálás után vörös-, kék színkülönbségi jeleket kapunk, ezekbõl mátrixolással állítható elõ helyileg a zöld színkülönbségi jel. A három színkülönbségi jel a képcsövet a három rácson keresztül vezérli. A színes képcsõ funkciója az idõfüggvény formájában érkezõ villamos jelek képpé alakítása. A színes képcsõnek (267-4 ábra) három független, egy vonalban elhelyezkedõ (in-line) katódja és három rácsa van. 48 B G R R rés - árnyék maszk G B 2.67-4 ábra foszfor csíkok A katódok nagy intenzitású elektronsugarat

bocsátanak ki. A fényesség jel (Y) a sugáráramot katódban vezérli . A három rácsot a színkülönbségi (R-Y, G-Y, B-Y) jelek vezérlik. A képernyõ belsõ felületét vörös, zöld, kék foszfor csíkok fedik Ha valamelyiket elektronsugár éri, akkor az a megfelelõ színben világít. A három katód által emittált elektronsugár a rés-árnyékmaszkon keresztül jut a foszforcsíkokra. A rés-árnyékmaszk a képcsõben, a foszfor csíkok mögött van, attól kicsiny távolságra. A rés-árnyékmaszk anyaga fém, csak a réseken hatolhat át az elektronsugár. A fémlemezen közel fél millió rés található. A 267-4 ábra mutatja a sugármenetet, ez az elrendezés biztosítja, hogy az RGB katódokból kilépõ elekron sugár az RGB foszfor csíkokon okozzon gerjesztést. Az ernyõn a sorfelbontással szinkronban elektronsugár pásztázza a foszfor pontokat -elölrõl nézvebalról jobbra és színes fénypontok villannak fel. A gerjesztett pontok felületi

fényessége arányos az Y jellel. A soronkénti megjelenítést a félkép frekvenciás jel mozgatja felülrõl lefelé. A gerjesztett színes foszforpontok uránvilágítása jelentõs, a kirajzolt pontok kb 20 ms-ig még láthatók a képernyõn, ezután kezdõdik a következõ két félkép megjelenítése. Az elektronsugár eltérítésére mágneses módszert alkalmaznak. A képcsõ nyakán két tekercs van, ezekre vezetik a sor- és képszinkron jeleket (2.67-3 ábra) Szinkronjel csatorna. Térjünk vissza a 267-3 ábrához Az összetett videojel tartalmazza a szinkronjeleket is, ezeket az adó moduláltan kisugározza. A vevõben a demodulálás után kapott videojelbõl a szinkronjelek leválaszthatók. Szinkronjel komponensek a sor- és félkép szinkronjelek, valamint a sor szinkronjel vállára ültetett bust jel. Az utóbbi kis hullámcsomag, mely a színes dekódolóban biztosítja a demodulációhoz szükséges színsegédvivõ adóval koherens rezgését. 2.68 A

teletext 49 A teletext egyirányú kommunikációt valósít meg a sugárzó állomás és a televízió nézõ között. Az adó a szöveges információkat (hírek, hirdetések) a saját televíziós mûsora alatt ciklikusan juttatja el a nézõhöz. Ezt a szolgáltatást csak a teletextes üzemmód bekapcsolásával látja a nézõ. Az Európában használatos televíziós rendszerek másodpercenként 50 félképet sugároznak. A félkép végén a bontó-rajzoló elektronsugár a kép jobb alsó sarkából a következõ félkép kezdetére ugrik. A visszafutási idõ 1,6 ms Ezalatt az idõ alatt az elektronsugarat kioltják (nem látható), hogy ne okozzon szemmel látható zavart. A teletext információk a visszafutási idõt hasznosítják. A teletext újságoldalak 24 sorosak, egy-egy sorban 40 karakter van. Ezt az információ mennyiséget 12 félkép idõ alatt (12 x 0,02 s = 0,24 s) lehet átvinni. Ha egy újság 100 oldalas, akkor a teljes továbbítási idõ 24 s, ez

egyben a keresés maximális ideje is. A teletextes stúdió jelét a mûsorszóró televízió jelével keverik és együtt kisugározzák. Az újságoldalak továbbítása ciklikus, de a gyakran használt oldalak (tartalomjegyzék, idõ-járásjelentés) többször is szerepelnek. Ezzel csökken ezen oldalak keresési ideje. A teletextes vevõ a normál tv vevõhöz képest kiegészítõ áramköröket tartalmaz. Elsõ mozzanat az ujjság kívánt oldalának megjelölése. Ezután ki kell várni, hogy az adó a kívánt oldalt sugározza. A 12 félkép alatt érkezõ információkat a vevõben tárolni kell, hogy az oldal összeálljon. Ha már a vevõben rendelkezésre áll a kiválasztott oldal, akkor azt a megjelenítõ karakterekké, sorokká konvertálja. 2.69 A digitális televízió Az analóg technika egyre jobban kiszorul a nagy távolságú információátvitelbõl, tért hódít a digitális jelátvitel. A digitális technika mellett szól a jobb minõség, a kezelés

jól kidolgozott eljárásai, a nagy sorozatú tipizált áramkörök. A videojel digitalizálásának lépései: mintavétel, kvantálás, kódolás (1.13 fejezet) A 265 és 266 fejezetben láttuk, hogy a videojel maximális frekvenciája 6 MHz. A mintavételi tétel értelmében 12 MHz-es mintavételi frekvenciára van szükség, a másodpercenkénti minták száma 12 millió. Figyelembe véve a sor- és képkioltási intervallumokat, a gyakorlatban kevesebb minta is elegendõ, mivel a visszafutás nem hordoz információkat. A digitális televízió egyik megvalósítási lehetõsége a komponens kódolás. Komponensek: Y jel, vörös-, kék színkülönbségi jel. Figyelembe véve, hogy a színkülönbségi jelek sávszélessége kisebb, mint az Y jelé, ezért aktív soronként 462 Y + 231 (R-Y) + 231 (B-Y) minta is elegendõ. A vett minták kvantálásához 128 1024 szintet (8 10 bit) használnak A digitális képek kezelése a nagy információ tartalom miatt nem egyszerû

feladat. Egyetlen kép helyfoglalása is megabájt nagyságrendû. Kézenfekvõ gondolat a digitális technikában használatos tömörítés alkalmazása. Hagyományos tömörítést alkalmazva állóképre kétszeres tömörítés érhetõ el. 50 Kialakulóban vannak a veszteséges tömörítési eljárások. A veszteség arra utal, hogy a visszaalakított kép kissé különbözik az eredetitõl. Egyetlen állókép esetén 20 30-szoros tömörítés is elérhetõ. A veszteséges tömörítés abból indul ki, hogy a kép szomszédos pontjai között általában kis különbség van. Ez azt jelenti, hogy a gyakorlatban az Y jel maximális frekvenciája nem 6 MHz, hanem ennél kisebb. Mozgó képeknél az egymást követõ képek között is kevés a különbség. Mozgás kiértékeléssel a szomszédos képek információ tartalma csökkenthetõ és ez további tetemes tömörítést tesz lehetõvé. A digitalizálás végeredményeként kisebb az adók lefoglalt

sávszélessége, mint analóg átvitelnél, egymás mellett több adó is sugározhat. Pl ugyanazt a helyszíni közvetítést különbözõ kamera állásból egy-egy adó továbbítja, a nézõ váltogathat a kameraállások között. 51 Phare Program HU-94.05 (APP/3/032) Az oktatás és a gazdaság kapcsolatának erősítése Dr. Keresztesi Miklós: INFORMÁCIÓTECHNIKA II. 3. Információtárolás Számítógépes grafika: Imrek Gyula 1996 3. INFORMÁCIÓTÁROLÁS A 2. fejezetben a térbeli csatornán megvalósuló információátvitelt mutattuk be Az információtárolás a korábban keletkezett információk egy későbbi alkalmazását teszi lehetővé, a forrás oldalt a nyelő oldallal időbeli csatorna köti össze. A tárolás az időbeli csatornában jön létre, annak szerkezetében maradandó állapotváltozás őrzi az információt. 3.1 Elektronikus tárolás Villamos digitális jelek tárolására alkalmasak az elemi tároló áamkörök, 1 bitnyi

információt képesek tárolni. A tárolás feltétele az áramkör működését biztosító tápfeszültség megléte Kikapcsoláskor ezen elemi tároló áramkörök elveszítik információ tartalmukat. 3.11 SR tároló Az SR tárolónak két bemenete van, az egyik az író (set, S), a másik a törlő (reset, R) vezeték. Két kimenete (Q, Q ) van, ezek logikai állapota ellentétes. A tároló két visszacsatolt NAND kapuból áll (3.11-1 ábra) S & Q rajzjel: S T R R & Q Q Q 3.11-1 ábra Legyen S=0, R=1, ekkor Q  S .Q  0  1 Q  R . Q  11 . 0 Ezt a beállítást beírásnak nevezzük. Törlésnél R=0, S=1 és Q=0, Q =1 S=1, R=1 esetben mindkét kimenet megtartja előző állapotát. A TTL logikai áramkörök szabadon hagyott bemenetei logiakai 1 értéken vannak (áramköri tulajdonság), nem feltétlenül kell a bemeneteket a logiaki 1 értéknek megfelelő H-szinthez kapcsolni. Csak írásnál, illetve törlésnél kell a megfelelő

bemenetet L-szintre kapcsolni rövid időre. A tárolót nem lehet egyidejűleg írni és törölni, az S=0, R=0 tiltott állapot. 3.12 C-típusú tároló Az információ véges sebességgel (kb. 0,33 m/ns) halad át az áramkörökön Előfordulhat, hogy valamely logikai áramkör bemeneteire különböző jelterjedési utakon érkeznek az információk és átmenetileg hibát eredményeznek az időzítetlenség miatt. A szinkron logikai hálózatokban az egyes logikai kapuk csak engedélyező jel hatására lépnek működésbe. 2 Az engedélyező jelet a rendszer órajel generátora állítja elő. Periódusideje a leghosszabb jelterjedési idő Az órajel periódikus négyszög jel. Pl H-szintjénél nyitnak a kapuk, L-szintjénél zárnak A C-tipusú tároló egy szinkronizált SR tárló (3.12-1 ábra) S & & Q C C S R Q & & Q R rajzjel: S C R T Q Q 3.12-1 ábra A kiegészítő áramkör végzi a szinkronizálást, az SR tárolóba beírni csak

az órajel (C, clock) engedélyező ütemében, H-szintnél lehetséges. A szinkronizáló rész két, kétbementű NAND kapuból áll, amelyek egyik bemenete közös (C). Ennek segítségével lehet engedélyezni a tároló írásának, törlésének folyamatát. Amennyiben a C bemeneten logikai 1 érték van, akkor a tároló kimeneti állpota csak az S, R logikai értékétől függ. Mivel a bemenetek a kiegészítő áramkör következtében invertáltak, ezért a Ctipusú tárolóba S=1, R=0 feltétel esetén írhatunk Az S=0, R=1 a törlésnek felel meg Tiltott állapot: S=1, R=1. 3.13 D-tipusú tároló A C-tipusú tároló tiltott állapota egy inverter beiktatásával elkerülhető, az így kialakított kapcsolást nevezzük D-tipusú tárolónak (3.13-1 ábra) Az órajel 1 értéke alatt a kimeneten megjelenik a D-re kapcsolt jel (1, vagy 0). Az órajel 0 értéke alatt a tároló megőrzi előző állapotát 3.14 MS (master-slave) tároló Egyes digitális rendszerekben

szükség van olyan áramkörökre, amelyek előzetesen tárolják a bemeneti állpotot, majd a bemenetek reteszelése után (nem tudnak értékükben változni) valósul meg a tárolás. Az MS tárolók két tárolót tartalmaznak, a bemeneti mester (master) tárolót és a kimeneti szolga (slave) tárolót. Felépítését tekintve két sorba kapcsolt C-tipusú tárlóból áll (314-1 ábra) A mester közvetlenül kapja az órajelet, míg a szolga ennek a negáltját. Ebből adódóan a az órajel 1 logikai értéke mellett a bemeneti információk beíródnak a mesterbe, 0 logikai értéknél a mester reteszelődik, a kinenetén lévő logikai állapot átíródik a szolgába. Tiltott állapot: S=1, R=1 3 D & & Q & Q C & 1 rajzjel: Q D T C Q 3.13-1 ábra szolga mester S & & & & Q & Q C & & & R 1 rajzjel: S C R 3.14-1 ábra Q TT Q 4 3.15 JK tároló A JK tároló a kimentről visszacsatolt jelet

használja fel a tiltott üzemmód elkerülésére (3.15-1 ábra). A JK tároló bementi áramkörei 3 bementű NAND kapuk A két kimenet (Q és Q ) logikai állapota ellentétes. Legyen Q=0, ha J=1, K=1, ekkor az órajel C=1 ütemében a felső, három bemenetű NAND kapu kimeneti 0 logikai értéke beírójelet jelent a mester tárolónál. Ugyanakkor az alsó, három benetű NAND kapunál nem érvényesül a K=1 törlési szándék. A J=1 és K=1 beállításnál a tároló az órajel minden periódusában átbillen, kimenete ellentétesre vált. A billenés az órajel 1-0 átmeneténél következik be. J & & & & Q & Q C K & & & 1 rajzjel: J C TT K Q Q 3.15-1 ábra 3.16 Regiszterek A regiszter olyan tárolót jelent, amely kis mennyiségű ( 1 . 64 bit) információ tárolására szolgál és nagyon gyors működésű. A regiszterek tároló cellája pl JK tároló, D tároló, a cellák száma a felhasználás helyétől függ. A

számítógépek aritmetikai egységében regiszterek tárolják a műveletvégzés adatait (pl. szorzandót, szorzót, szorzatot) Az elemi adatok tárolása mellett a regiszterek funkciója még a léptetés, amely lehetővé teszi, hogy pl. a szorzást visszavezessük összeadások és léptetések sorozatára A regiszterek legegyszerűbb tipusa a tároló regiszter (storage register), egyszerűsített vázlata a 3.16-1 ábrán látható 5 párhuzamos adat-bemenet órajel D0 D1 C T 6 C soros adat-bemMR enet D2 C T D3 T C MR MR T MR órajel közös törlőbemenet D0 C T Q MR C D3 D2 D1 T C Q1 T Q2 párhuzamosMR adat-kimenet MR C T soros Q 3 adat-kimenet MR 3.16-1 ábra közös törlőbemenet Q0 Q2 Q1 párhuzamos adat-kimenet 3.16-2 ábra Q3 A tároló cellák közös törlőbemenettel (MR) rendelkeznek, ha MR aktivált, akkor minden kimeneten logikai 0 érték van. Az ábrázolt regiszter 4 bites, a D 0 , D 1 , D 2 , D 3 az

adat-bemenet (data) A Q 0 , Q 1 , Q 2 , Q 3 a regiszter kimenete. Az adat-bemeneteken jelenlévő bitkombináció órajel hatására átíródik a kimenetre. A regiszter párhuzamos bemenetű és párhuzamos kimenetű Vannak soros benetű és soros kimenetű regiszterek, ekkor az adatok minden egyes órajelnél eggyel továbblépnek. A léptetéseket a kivánt számban végezve feltölthetjük az egész tárolót A 3.16-2 ábrán a sorosan beírt információt -megfelelő lépés után- sorosan és párhuzamosan is megjeleníthetjük. A balról jobbra léptető regiszter mellett van fordított irányú is. 3.17 Félvezető memóriák A korszerű számítógép programok nagy memória kapacitást igényelnek. Nagy bonyolultságú integrált áramkörök kis helyigényű, nagy kapacitású tárak tömeg-gyártását teszik lehetővé. A számítógépek kétféle memóriát tartalmaznak. Az egyiket a felhasználó csak olvasni tudja, de tartalmát programból megváltoztatni nem lehet.

Ez a ROM (Read Only Memory) A másik tipusú memória írható és olvasható is, ez a RAM (Random Acces Memory). Lényeges különbség a két tipus között, hogy a RAM-oknak az adatok tárolásához szüksége van áramforrásra, míg a ROM a benne tárolt adatokat ármaforrás nélkül is megőrzi. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a számítógép RAM-ja kikapcsoláskor elfelejti a tárolt információkat, míg a ROM nem. A memória áramkörökben a tároló elemek mátrix elrendezésűek. Az ilyen elrendezés előnye, hogy a cellák számánál jóval kevesebb csatlakozó vezetékre van szükség. Pl 64 cella esetén nem 64, hanem csak 8 oszlop vezeték + 8 sor vezeték = 16 vezeték elegendő az információ kiolvasásához. Minél nagyobb a tárolókapacitás, annál előnyösebben jelentkezik a mátrix elrendezés gazdaságossága. ROM memóriák A ROM-okban azokat az információkat tároljuk, amelyekre ismételten, változatlan tartalommal szükségünk van. Az IBM

személyi számítógépek ROM memóriájába a gyártó cég a bekapcsoláskor végrehajtandó műveletek programját írja be. A ROM memóriák ezen tipusát maszk-programozott memóriának nevezzük. Minden programhoz külön gyártási maszkot kell készíteni, csak nagy sorozatú gyártásnál gazdaságos. A maszk-programozás a gyártás technológiájára utal, ugyanis a félvezető tároló elemek gyártása során alakítják ki a ROM tartalmát. Átprogramozásra nincs lehetőség A 3.17-1 ábrán 9 bites tároló mátrix működési elvét szemléltettük A sor vezetékek az x1, x2, x3 és y1, y2, y3 az oszlop vezetékek. A tároló részlet x0, y0 kiegészítéssel 16 bites lenne Tároló elem dióda, bipoláris tranzisztor vagy MOS tranzisztor. Logikai 1 értéknek a vezet-, 0 értéknek a nem vezet állapot felel meg. A diódás tároló mátrixot a számítástechnika hajnalán is alkalmazták diszkrét diódák beépítésével. A logikai 1 értéknél van dióda,

0-nál nincs Ez a programozás folymata Olvassuk ki az x2 - y3 cella tartalmát. Az ábrán megfigyelhető, hogy a tárolt érték 1 Olvasáskor adjunk a kiválasztott x2-re H-szintű jelet, ekkor az y3-ról a föld (GND) ponthoz képest Hszintű jelet, logikai 1 értéket kapunk. Az oszlop vezetéket y1-hez kapcsolva az x2 - y1 cella tartalma logikai 0 érték, áram nem folyik az első oszlop ellenállásán, tehát L-szintű a kapott jel. 7 tároló elem: y2 y1 x1 1 0 y3 dióda 0 100 011 101 H-szint x2 x3 0 1 1 1 0 1 bipoláris tranzisztor MOS tranzisztor kiolvasott érték: 1 GND 3.17-1 ábra Hasonló elvű tármátrixok gyárthatók bipoláris illetve MOS tranzisztor felhasználásával. Ezen elemeket minden keresztezési pontba beépítik (akár 0, akár 1 tárolásáról van szó. Bipoláris tranzisztor esetében a programozást úgy oldják meg, hogy logikai 1 értéknél a bázist összekötik a megfelelő sor vezetékkel, 0 értéknél a bázis vezeték

szakadt (mint egy olvadó biztosíték, ki van égetve). MOS tranzisztoros megoldásnál a kapu (G) - csatorna (S) közötti szigetelés logikai 0 esetén vastagabb, logikai 1 -nél normál méretű. Az utóbbi esetben a kapura kapcsolt H-szintű jel nyitja a MOS tranzisztort RAM memóriák Az írható/olvasható memóriák két tipusa nyer széleskörű alkalmazást a számítógépekben: a statikus RAM (SRAM) és a dinamikus RAM (DRAM). A dinamikus kifejezés arra utal, hogy ezek a tárak 10-15 ms alatt elveszítik információ tartalmukat, ezért rendszeresen frissíteni kell a tárolt adatokat. A PC-ben az operatív memória DRAM, a cache memória a SRAM. (Cache az elemi tároló ármakörökből felépülő memória francia elnevezése.) A mai számítógép processzorok (486-os óta) mindegyike tartalmaz belső cache-t és az alaplapon is egyet. Az alaplapon lévő cache kapacitásban többszöröse a belsőnek A cache memória funkciója a gyors processzor és viszonylag lassú

DRAM összehangolása, gyorsító tárnak is nevezik. Minden memória bitenként tárolja az információt. A dinamikus RAM-ban a bitet egyetlen tranzisztor és egy kis kapacitás tárolja. A statikus RAM bitjeit 4-6 tranzisztor reprezentálja Azonos tároló kapacitás esetén a SRAM nagyobb méretű, több energiát fogyaszt és drágább, mint a DRAM. A DRAM-ból csak 140 ns-onként lehet kiolvasni egy bájtot, a SRAM hozzáférési ideje 1 bájra vonatkoztatva 15-20 ns 8 Statikus RAM áramkörök A tároló cella D-tipusú tárolóból és kiegészítő logikai hálózatból áll. A 317-2 ábrán D az adat bemenet, E (enable) az engedélyező bemenet, ha ez logikai 1 értéket kap, akkor az adat vezeték állapota tárolásra kerül. Q a tároló kimenete y x & & WE 1 Q & kimenet T D D-típusú tároló adat RE E 1 3.17-2 ábra A mátrix sor-, oszlop kijelölő vezetékeit x, y jelöli. Az x, y magas (H-) szintje esetén a bemenő ÉS kapun keresztül

megkapjuk a cella kiválasztó jelet. Ettől kezdve a kiválasztott cella tudja, hogy neki szól az üzenet. Ha az alacsony (L-) szintű W E (write enable) jelet kiadjuk, akkor az is kiderül, hogy írásra kell a kiválasztott tárolónak felkészülnie. Az invertált írás engedélyező jel a cella kiválasztó jellel együtt ÉS kapun át csatlakozik a tároló E benetéhez. Ezzel az adat vezeték 1 vagy 0 logikai értéke tárolásra kerül A tároló kiolvasásának feltételét a kimeneti ÉS kapu határozza meg. Ez a kapu egyik bemenetén logikai 1 értéket kap, ha megtörtént a cella kiválasztás. Az L-szintű olvasás engedélyezése (read enable) inverteren keresztül szolgáltatja a kimeneti ÉS kapu bemenetéhez a logikai 1 értéket. Ha a tároló Q kimenetén logikai 0 érték van, akkor a kimeneti ÉS kapu kimenete is 0 értékű, míg Q = 1 esetben a kimenet is 1. Dinamikus RAM A DRAM-ok a tárolt információt külső segítség nélkül csak néhány ms-ig tudják

megőrizni. Mielőtt az adatok elvesznének, azokat újra kell írni, frisíteni kell a tár tartalmát. A memória működésének alapja a MOS tranzisztorok elektróda kapacitásának tárolóképességét haszmosítja. MOS tranzisztorban a kapu (tekinthető fegyverzetnek) vékony szilícium-dioxid szigetelő réteggel (dielektrikum) van elszigetlve a forrástól, nyelőtől (másik fegyverzet). Ezt a parazita kapcitást hasznosítja a DRAM A 317-3 ábra bal oldalán ez a C tár kondenzátor. Írásnál a kiválasztott sor vezetékre H-szintű jelet kapcsolunk, a kiválasztott oszlop vezetéken van a tárolandó adat H-, vagy L-szintje. 9 A sor vezeték H-szintje nyitja a MOS tranzisztort és a kondenzátor az adatnak megfelelő feszültségre töltődik: az adat logikai 1 értékénél a kondenzátor H-szinthez rendelt feszültségre töltődik, logikai 0 esetén nincs feszültség a fegyverzetek között (ez nem pontosan azonos az L-szinttel, azaz a föld potenciállal). A

kondenzátor a H-szintet 10-15 ms-ig megtartja, de a szivárgási áram miatt a frissítésről gondoskodni kell. adat ki adat be oszlop vezeték T2 G (kapu) D (nyelő) sor vezeték S (forrás) olvasás eng. H 1 T1 írás eng. T3 C tár GND C olvasó C tár az írás elve GND tároló cella 3.17-3 ábra Kiolvasáshoz kiegészítő áramkörre van szükség. Az olvasás első lépéseként töltsük fel az olvasó kondenzátort H-szintre. Adjuk ki a T2 MOS tranzisztor kapu elektródájára a H-szintű olvasást engedélyező jelet. Ekkor T2 kinyit, csatornája vezet  Ha a tárolt jel H-szintű, akkor a tároló kondenzátor feszültsége nyitja T3 MOS tranzisztort, az olvasó kondenzátor kisül a sorbakapcsolt T2, T3 tranzisztorokon keresztül, feszültsége leesik Lszintre.  Ha a tárolt jel L-szintű (a tároló kondenzátor üres), akkor T3 nem nyit ki, tehát az olvasó kondenzátor állapota változatlan marad, H-szintű. Mint látható az olvasó

kondenzátor állapota ellentétesen alakul, mint a tárolást végző kondenzátor tartalma. Inverter alkalmazásával olvasásnál a tárolt adatot kapjuk A tároló kondenzátor 10-15 ms alatt teljesen elveszti töltését, ezért a tárolót ennél sűrűbben, 15 µs -onként frisíteni kell. Ha a DRAM számítógépben nyer alkalmazást, akkor a frissítést nem a processzor, hanem az alaplapon ezt egy külön egység végzi. 3.2 Tárolás mágneses adathordozón Az anyagok mágneses tulajdonságait elemi köráramok határozzák meg. Az elektronok mag körüli (pályamomentum) és tengely körüli mozgása (spin) az anyagok mágneses jellemzőinek forrása. 10 A pályamomentum és spin viszonya határozza meg a para-, dia-, ferromágneses tulajdonságokat. Információk tárolására a ferromágneses anyagok egyik csoportja alkalmas. Ha külső mágneses térnek tesszük ki ezeket az un. kemény mágneses anyagokat (pl króm-dioxid), akkor a gerjesztés megszüntével az

anyag nem áll vissza semleges állapotába, hanem visszamaradó, remanens mágnességet mutat. Megőrzi a gerjesztő tér irányát. Tehát gerjesztő térrel információkat írhatunk az anyagba A ferromágneses anyagban nagyszámú atom mutat gerjesztéskor azonos mágneses irányultságot. Az anyag egyirányban mágnesezett tartományait Weiss-celláknak nevezzük. Az írás folyamata látható a 32-1 ábrán. Rögzítéskor a fej és a mágneses hordozó egymáshoz képest mozog A rögzítendő információ idő függvény, a tárolás valójában térbeli leképzést jelent. Az írófej lényeges tulajdonsága a rés, itt a mágneses indukcióvonalak kitüremkednek és a mágneses hordozón keresztül záródnak. A Weiss-cellák évtizedekig megőrzik mágneses irányultáságukat. Visszaolvasáskor az írásnál tekercs beállított Weiss-cellák mágneses tere a relatív mozgás megléte esetén feszültséget indukálnak az olvasó fej tekercsében. Sokszori olvasás sem

gyengíti a tárolt jeleket Digitális jelek rögzítésénél a mágneses adathordozók tárolásianyag jellemzője a lineáris bitsűrűség. lágy mágneses író, olvasó fej Egységnyi hosszúságra eső bitek számát jelenti, a gyakorlatban a bpi (bit per inch) egység használatos. Több csatornás hordozóknál ez az adat csatornánként értendő. Másik tárolási jellemző az adatelérési idő Ez a szalagos tárolóknál hosszú, lemezeknél igen rövid.a mágnesezés iránya Weiss-cella rés 3.21 Mágnesszalagos adatrögzítés Rögzítés előtt a szalag mágnesezettséget nem mutat. Az adat 8 bites formában (1 bájt) adott, króm-dioxid mágneses hordozó ehhez igény szerint paritás bit kapcsolható. Az egyes bitek a szalagon egymás melletti párhuzamos csatornákon rögzíthetők. Egyik lehetséges kódolási eljárásnál a logikai 1 értéknek a szalag mágnesezése műanyag fólia felel meg, a logikai 0-nál nincs mágnesezés (3.21-1 ábra) fej, szalag

relatív sebessége 3.2-1 ábra 11 11010101 10011101 11100000 20 21 22 23 24 25 26 27 paritásbit 3.21-1 ábra De lehetséges a logikai 1 értékhez + remanens mágnességet, a logikai 0-hoz - remanens mágnességet rendelni. A szalagon célszerű szinkron jeleket is rögzíteni, ezáltal a szalag nyúlása nem okozhat olvasási hibát. 3.22 Mágnesszalagos hangrögzítés A hang változó amplitudójú és frekvenciájú analóg jel, frekvencia tartománya 16 Hz . 16 kHz Hangfrekvenciás áramot vezetve a felvevőfejbe a légrés előtt elhaladó mágneses szalagon az akusztikus jelenséget tárolhatjuk. Lejátszásnál a lejátszó fej előtt a remanesn jeleket tartalmazó szalagot mozgatjuk, a felvétellel azonos sebességgel és irányban. A szalagból kilépő erővonalak a lejátszófejen keresztül záródnak, annak tekercsében feszültséget indukálnak. Tehát az inforámciátviteli modellnek megfelelően itt is beszélhetünk átalakítóról és

visszaalakítóról, és ez a megfelelő légrésű fej. A gyakorlatban a felvételre használt fej lejátszásra is alkalmas (kombinált fej). A szalag mágneses rétegének jellemzője, hogy a rögzítési folyamat nemlineáris és lineáris szakaszokból áll, ez a mágnesezési görbe (3.22-1 ábra). A felvevőfej árama hozza létre a H mágneses téreősséget, amely az anyagban kialkítja a B remanens mágnességet. Ha H iránya megváltozik, iránytvált B is Az M1 munkapontban üzemelő felvevőfej torzított rögzített jelet eredményez. A mágnesezési görbe lineáris szakaszán felvéve az M2 munkapontot, a rögzített jel nem torzul el. A mágnesezési görbe lineáris szakaszára tolhatjuk a munkapontot (M2) előmágnesezéssel. A gyakorletban nagyferekvenciás (50 100 kHz) előmágnesezést használnak, amely biztosítja a munkapont eltolását a lineáris szakaszra. A nagyfrekvenciás előmágnesező áramot a rögzítendő jellel amplitudóban modulálják. A

szalagon csak a burkológörbének megfelelő hangfrekvenciás jel rögzítődik, a nagyfrekvenciás vivőjel nem. Ennek oka a fej légrés mérete 12 B B M2 torzított rögzített jel H,t lineáris M1 H torzítatlan rögzített jel B M1 H,t lineáris t mágnesezési görbe bemenő jel bemenő jel 3.22-1 ábra Lejátszásnál a szalagból erővonalak lépnek ki és az indukció törvény értelmében a lejátszó fejben feszülség indukálódik: U i  N d dt Az indukált feszültség egyenesen arányos a lejátszó fej menetszámával és a mágneses fluxus idő szerinti differenciál hányadosával. Lejátszásnál ezért nincs szükség előmágnesezésre B V szalag H tölőfej légrés 3.22-2 ábra 13 A felvételt megelőzően törléssel a szalagot mágnesesen semleges állapotba hozzák. Törléshez az előmágnesezésre használt 50 . 100 kHz-es nagyfrekvenciás áramot vezetik a törlőfejbe A törlőfej a szalag haladási irányát tekintve

megelőzi a kombinált fejet, ez felvétel előtt törli a szalagot. A törlőfej légrése nagy, benne a nagyfrekvenciás törlőáram több periódusa is telítésig mágnesezi a szalagot, pozitív és negatív értelemben is, de a nagy résszélesség miatt egyik jel sem tárolódhat (3.22-2 ábra) 3.23 Mágnesszalagos képrögzítés A videojel frekvencia-tartománya 0 Hz . 6 Mhz Kisebb igények esetén a videojelet közvetlenül rögzítik. A mágnesszalagon rögzíthető jel felső határfrekvenciája a felvevőfej és a szalag egymáshoz viszonyított (relatív) sebességétől és a felvevő-, lejátszófej résszélességétől függ. Nagyságrendekkel más a videojel frekvencia tartománya, mint a hallható hangé. A fej résszélességét 0,3 m- re sikerült csökkenteni. Olcsób készülékeknél a relatív jelrögzítési sebesség 4,84 m/s (szemben a kazettás hangmagnók 4,76 cm/s értékével). A nagy jelrögzítési sebességet sebességfokozó eljárásokkal érik

el Pl a VHS rendszerű videomagnóknál a szalag sebesség csak 2,34 cm/s, de a szalaggal szemben forgatva a kombinált fejet, a kivánt jelrögzítési sebesség elérhető. A gyakorlatban a nagy fordulatszámú fejdob tengelye és a szalag egymással alkotott szögét alkalmasan megválasztva elérhető, hogy egy-egy félkép ferde csíkot alkot a szalagon (3.23-1 ábra) hangsáv  szalag haladási iránya félkép fejdob forgási iránya szinkronjelsáv 3.23-1 ábra Korrekt képet a lejátszás során csak úgy érhetünk el, ha a fej pontosan a félkép csíkon halad. A fejdob helyzetét szinkronizáló impulzusokat ugyancsak a szalagon tárolják. Ezzel lehet biztosítani a forgó dob azonos mechanikai paramétereit felvétel és lejátszás során. Igényesebb videomagnóknál a videojelet nem közvetlenül rögzítik, hanem a videojel nagy relatív sávszélességét előzetes modulációval (transzponálás) csökkentik és a modulált jelet viszik szalagra.

Lejátszásnál természetesen szükség van demodulálásra is. A videomagnók kisebb hibái (szalag sebesség ingadozás, a szalag fejen való felfekvés változása) a képernyőn világosabb, sötétebb fényfoltok formájában jelentkeznek. Ezek jel amplitudó változások Ezért transzponálásra frekvenciamodulációt használnak és amplitudó határolással a fenti zavarok nagymértékben csökkenthetők. 3.24 A streamer Digitális kazettás magnetofonnak tekinthető, számítógépek adatbázisainak, programjainak tárolásására szolgál. A kazetta pl 2,2 Gbyte tárolására is képes Szalaganyaga digitális jelek rögzítésére alkalmas. 14 3.25 Mágneslemezes tárak Digitális jeltárolók. A mágneslemezes tárakat számítógép háttértárakként használják, egyik fajtája a hajlékonylemezes (floppy) tár, másik a merevlemezes (winchester) tár. A mágnesszalagos tárolási eljárásoknál a szalag és a fej közvetlenül érintkezik, ez főleg a

visszaolvasott jel amplitudója szempontjából előnyös. Ez az elv megmarad a hajlékonylemezes rendszereknél Olvasásnál, írásnál a fej érintkezik a hajlékony lemezzel. Ezzel megfelelő adatsűrűséget és kellő visszaolvasási pontosságot lehet elérni, de a surlódásból adódó fejkopás miatt a lemez fordulatszáma csak 300 - 360 fordulat/perc lehet, ezért ezek a tárolók lassúak (a winchesterhez viszonyítva). A winchestereknél a fej nem érintkezik a mágneses hordozóval, ezért a lemezt nagy sebességre lehet felpörgetni és ezért gyorsak, az adatelérési idő kicsi. A lemezhajtó egység fordulatszáma 3000 1/min, a fölötte lévő író/olvasó fejet az áramló levegő emeli meg alkalmas fejkialakítás esetén. Az alacsony repülési magasság miatt a rendszer légterében csak igen kismértékű szennyezések lehetnek jelen, mert az ütközés végzetes lehet a fej számára. A winchester zárt terébe mikroszűrőkön keresztül áramlik a levegő.

utolsó sáv koncentrikus körök (sáv vagy track) mentén történik. A A mágneslemezes tárakban a jelrögzítés sávok sűrűn egymás mellett helyezkednek el. A sávsűrűséget tpi -ben fejezik ki, jelentése track per inch radiális irányban. A sávok szektorokra vannak felosztva (325-1 ábra) szektor sávok száma: 72, 202 0. sáv szektorok száma: 8, 15, 32 3.25-1 ábra A szektorok jelentik a legkisebb címezhető adategységet (128 . 512 byte) A sáv és szektorszám megadásával az adott blokkban rögzített adatok gyorsan előkereshetők. Ezért a lemez direkt elérésű tároló, szemben a szalag soros elrendezésével. Ha a lemez mindkét oldalát felhasználjuk, vagy lemezköteg azonos koncentrikus köréről van szó, akkor nem sávról, hanem cilinderről beszélünk. A mágneslemezen a koncentrikus rögzítési nyomvonalakat a formattálás művelete helyezi el, amelyet legtöbbször a felhasználó hajt végre. 15 Megfelelő kódolási eljárásokkal az

adatsűrűség növelhető. Fontos fogalom a bitcella, amely a tárolt bit helyét jelenti a hordozón. A frekvenciamodulációs eljárásnál minden bitcella helyét szinkron jellel jelöljük meg. Ez tulajdonképpen a vivőfrekvencia, amelyet modulálunk a felírandó információ függvényében. A szinkron jel priódikus négyszöghullám A bináris 1 kódolásánál a bitcella közepén is létrehozunk egy impulzust, míg a bináris 0 esetén változatlanul hagyjuk a cella tartalmát (3.25-2 ábra) bit cella szinkron jel (vivő frekvencia) bináris 1 kódja bináris 0 kódja 3.25-2 ábra Az impulzusok felírása, ill. olvasása eredményezi az adathozzáférési időt A kódolási eljárások továbbfejlesztésével elérték, hogy csökkenteni lehetett az 1 bitre eső impulzusok számát. A fejlesztések eredményeként egyre nagyobb lett a jelek közötti szünet, ezek értelmezéséhez speciális logikai áramkörökre van szükség, ezek a lemezes egységek vezérlő

áramkörei. 3.251 Hajlékonylemezes tárak Szokásos elnevezések: floppy disc, discette. Számítógépes programjainkat, adatainkat legegyszerűbben mágneslemezen őrizhetjük meg. A lemezre a kódolt információt a meghajtóegységben (drive) lévő fej írja ill. olvassa A lemez a meghajtóban cserélhető Az adatelérési idő 50 200 ms A mágneslemez jellemzőit a 3.251-1 ábrán adtuk meg A hajlékony mágneslemez mindkét oldalán tartalmaz kb. 0,5 m vastag mágnesezhető (vasoxid vagy krómdioxid) réteget A hordozó műanyag kb. 0,1 mm vastag, amelyet burkolat véd a mechanikai sérülés ellen A lemez (disc) szokásos mérete 5,25 inch illetve 3,5 inch. Az író-olvasó fej kontakt érintkezését a burkolat hiánya (fejkivágás) biztosítja.  16 5,25 inch írásvédő 3,5 inch írásvédett csukva állás központosító hajlékony mágnes lemez védő burkolat takarólap fejkivágás 3.251-1 ábra Az 5,25 -os lemezen lévő indexlyuk az 1.

szektort azonosítja, a felülírást, törlést az írásvédő nyílás átlátszatlan fóliával történő leragasztásával érhetjük el. A lemez DD-s változatban 360 kilobájt, HD-s változatban 1,2 megabájt tárolására alkalmas. A 3,5 -os un. micro floppy disc írásvédettségét burkolatba épített műanyag csuszka eltolásával érhetjük el, a fejkivágást rugós zárású fémlemez takarja. Tároló kapacitása 1,44 megabájt Az író, olvasó fejet sugárirányban lépetőmotor mozgatja, ezzel lehet a kivánt sávot elérni. 3.252 Winchester tár A nagy tároló kapacitás elérésére lemezköteget használnak és maximális adatsűrűség mellett a rövid adatelérési időre törekszenek. A korszerű szoftverek (Windows, Windows alatti programcsomagok) rendszeresen fordulnak a winchesterhez, a meghívott funkció elérési ideje annak működési sebességétől függ. Az író-olvasó fejet légpárna emeli le a forgó lemezről, kikapcsolt ill. fegyorsuló

állapotban a fejek a lemezen rajta vannak. Ezért a lemezek felületét csúszóréteggel vonják be A légpárna üzemi fordulatszámon kialakul, nem kell a fej emelését, süllyesztését külön vezérelni. A lemezköteg forgatása nagy (3000 1/min), ezért az elérési idő kicsi. A fejek sávontartását szervo rendszer biztosítja A fejek cilinderek közötti pozícionálását léptetőmotor végzi, csak nem radiális elmozdulással, hanem a gyorsabb ívmenti mozgással. A tároló kapacitás eléri az 1,2 Gbyte-ot Az adatrögzítési sűrűség 6 000 15 000 bpi., a sávok távolsága 20 40 m, az elérési idő 10 100 ms 3.3 Mechanikus jeltárolók A mechanikus jeltárolók szilárd testek állapotváltozásában őrzik az információt. A rögzített jelek többnyire csak olvashatók, a kopás az információ tartalom csökkenésével jár. A mechanikus tárolók alkalmasak analóg és digitális elvű tárolásra. 17 3.31 A hanglemez A sztereo jelet nemcsak

amplitudója, frekvenciája, hanem a jobb és bal csatorna közti amplitudó különbség is jellemzi. Tekintsünk vizszintes helyzetű hanglemezt, ebben a vágótű kétféle mozgást végezhet: vizszintes (a barázda szempontjából oldalirányú) és függőleges (mélységi) irányút. A tű oldalirányú elmozdulása az R+L jeleket, a mélységi elmozdulás az R-L térbeliséget reprezentáló információkat tárolja. A gyakorlatban az oldal- és mélyírás ékalakú barázdafalban realizálódik Az egymásra merőleges barázdafalak részben oldalirányú, részben mélységi információk tárolására alkalmasak. Ezáltal elérhető, hogy a sztereo lemezek mono kompatibilisek lesznek Jelamplitudónak az oldalirányú kitérés mértéke felel meg, a frekvencia a rögzített hullámok hosszegységre eső számával arányos. Lejátszáskor a tű végighalad a modulált barázdákban, rezgését piezoelektromos-, induktív átalakítók érzékelik, kimentükön villamos jelet

szolgáltatnak (3.31-1 ábra) A villamos jel erősítés után hangszórókat működtet. Barázdasűrűség 94 1/inch R L barázda barázda R tekercs L tekercs lágyvas lágyvas mono permanens mágnes sztereo tű 450 3.31-1 ábra 3.32 CD, CD-ROM A CD (compact disc) hang, kép, adat tárolását teszi lehetővé digitalizált formában. A barázdasűrűség eléri 16 000 1/inch értéket, adatárolás esetén egy 12 cm-es korongon 650 Mbájt kapacitás is elérhető. A lemezen spirális vonal mentén "gödrök" (pit-ek) és "dombok" (land-ek) találhatók mikroszkópikus méretben. A pit mélysége és szélessége állandó, hossza a kódolt értéknek van megfeleltetve. A land elválasztó funkciót lát el (332-1 ábra) Felvételnél a korongon leheletvékony fémtellúr réteg van, ebbe a piteket lézersugár égeti be. Erről préseléssel állítják elő a sokszorosított példányokat. Az információt tartalmazó lemezre vékony reflexiós fémréteg

(alumínium, tellúr vagy egyéb jó fényvisszaverőképességű anyag) van vákuumtechnikai eljárással felgőzölögtetve. A lemezt a mechanikai sérülések elleni védelem céljából átlátszó lakkréteggel vonják be. A CD általában egyoldalas lemez, kiolvasás az átlátszó védőlakk felől lehetséges. 18 spirál vonal pit land pit 1,6m 3.32-1 ábra A barázdákat nem tű, hanem lézersugár járja végig, átmérője 1 m, a fénysugár hullámhossza az infravörös tartományba esik. A fényt optikai rendszer irányítja a lemezre, a visszavert fényt fotodióda alakítja át villamos jellé. A pitekben tárolt kódolt mechanikus jel a továbbiakban villamos eszközökkel dolgozható fel. Ha a CD hangot, képet tárolt, akkor digitál/analóg konverzió után vissza kapjuk a hangfrekvenciás-, illetve a videojelet, CD-ROM esetében a digitális villamos jeleket a számítógép hasznosítja, cserélhető lemezes meghajtóként (általában D-jelűként)

kezeli.   19 Phare Program HU-94.05 (APP/3/032) Az oktatás és a gazdaság kapcsolatának erősítése Dr. Keresztesi Miklós: INFORMÁCIÓTECHNIKA II. 4. Információfeldolgozás Számítógépes grafika: Imrek Gyula 1996 4. Információfeldolgozás Az információfeldolgozás alapinformációkból magasabb rendű információkat állít elő. A 2 fejezetben már bemutattunk analóg szorzó áramköröket (keverés, demodulálás), készültek diffrenciálegyenleteket megoldó áramkörök analóg technikával, sőt analóg számológépeket is kifejlesztettek. Ezen rendszerek speciális területeken jól alkalmazhatók voltak, de általános célú, sokoldalú eszközöket analóg elven nem sikerült megvalósítani. Az okok között az analóg jeltárolás nehézkessége és lassú visszakeresése húzódik meg. A digitális elven működő feldolgozó áramkörök jól

illeszthetők egymáshoz és bonyolult, nagy rendszerekké szervezhetők. Elemi aritmetikai, logikai műveletekre alapozva -megfelelő algoritmussal- az információfeldolgozás univerzális eszközévé vált a digitális számítógép. Előzetesen tekintsük át az információfeldogozásban általánosan használt logikai hálózatokat. Dekódoló áramkör bemenet a0 a1 1 1 kimenet bemenet a1 a0 kimenet  y0 = a0  a1  0 0 y0  y1 = a0  a1  0 1 y1  y2 = a0  a1  1 0 y2  y3 = a0  a1  1 1 y3 4.-1 ábra A 4.-1 ábrán négyből egy (4-1) dekódolót láthatunk Lehetővé teszi az y0, y1, y2, y3 vezetékek közül egy kiválasztását. Az áramkör valamely kimenete akkor lesz logikai 1 értékű, ha a bemenetre adott bináris szám értéke egyenlő a kimenet sorszámával (0, 1, 2, 3), egyébként a kimenet 0 értékű. Az áramkör felépítése olyan, hogy a bemenetek minden lehetséges értéke (00, 01, 10, 11) rá van

kapcsolva egy-egy ÉS kapura. 2 Az is nyilvánvaló, hogy egyszerre csak egy ÉS kapu kimenete lehet logikai 1 értékű. Jelöljük a bemenetek számát általában n-el, ekkor a kimenetek száma 2n . Pl n=3 esetben a kimenetek: y0, y1, ., y7 Adatkiválasztó áramkörök a0 address a1 4.-1 dekóder  d0  d1 1 data y  d2  d3 a0 a1 4.-2 ábra 4.-1 dekóder d  y0  y1  y2  y3 4.-3 ábra Ha több vezetéken rendelkezésre álló információ közül kell egyiket kiválasztani, a szelekcióra multiplexert használunk. A 4-2 ábra jelöléseit követve az áramkör célja a d0, d1, d2, d3 információk közül egyik, a megcímzett eljuttatása y-hoz. 3 Általában a dekóder n kimenettel rendelkezhet (ekkor a neve n-1 dekóder) és az adatvonalon (data) n vezeték van, amelyből a cím (adress) szerint kötünk össze egyet a kimenettel. A demultiplexer is az n-1 dekóder segítségével teszi címezhetővé a kiválasztást, a d

bemeneti információ n kimenet közül az egyikre jutattható. A 4-3 ábrán 4 kimenet van, ezért a dekóder is négyből egy vezeték kiválasztást tesz lehetővé. Számláló áramkörök Feladatuk bizonyos események bekövetkezésének megszámlálása. A számítógépekben a programlépéseket, óraimpulzusokat számlálják. A 3.15 fejezetben megismerkedtünk a JK tárolókkal A J, K bemeneteket összekötve és logikai 1 szintre kapcsolva, minden órajelre billenő tárolót kapunk. Négy tároló felhasználásával moduló 16 számlálót kapunk, amely a 16. impulzus beérkezése után elölről kezdi a számlálást. Kössük az első tároló kimenetét a második tároló órajel benetére, hasonló módon a másodikat a harmadikhoz és harmadikat a negyedikhez (4.-4 ábra) Az áramkört aszinkron számlálónak nevezzük. A tárolók Q negált kimenetét kapcsolva a következő tároló C bemenetére visszafelé számlálót kapunk. Az aszinkron számlálók a soros

kapcsolás miatt lassú működésűek. A számlálandó impulzusok az első tároló órajel bemenetére kerülnek, ennek hatása csak akkor érkezik meg az utolsó tárolóhoz, ha minden előző tároló már állapotot változtatott. A szinkron számlálóknak nincs ilyen hátrányos tulajdonsága, mert az órajel impulzusok minden tároló C bemenetére párhuzamosan rákerülnek (4.-5 ábra) Az egyes tárolók mégsem billennek minden órajelre, hanem csak akkor, ha minden előző helyiérték már 1-es és újabb impulzus érkezik. Ezen logikai feltételek meglétét figyelik az ÉS kapuk logikai 1 érték billenés 1 - 0 átmenetnél J Q J billenés 1 - 0 átmenetnél billenés 1 - 0 átmenetnél billenés 1 - 0 átmenetnél J Q J Q Q bemenet C TT C K C TT 20 21 22 1 0 kimenet idő 4.-4 ábra 4 TT K K K logikai érték C TT 23 20 21 22 23  logikai 1 érték  J Q J Q J Q J Q C TT C TT C TT C TT K K K K bemenet

4.-5 ábra Legyen valamennyi kimenet logikai értéke 0. Az órajel első 1-0 átmeneténél az első tároló billen, kimenete 1 lesz. A többi tároló nem billen, mert a JK logikai értéke 0 Az első megszámolt impulzus után a 20 kimenet 1 értékű, ekkor billenésre alkalmassá válik a második tároló és át is billen a második impulzusra, de ekkor az első tároló kimenete 0 lesz, ezért az nem billen. A harmadik tároló csak akkor billen, ha már az első kettő megtelt, hasonló okok miatt a negyedik tároló csak a letárolt 7 impulzus után a nyolcadikra billenhet. Ekkor törlődik az első három tároló A 9. impulzus beérkezését az első tároló fogadja, de megmaradt a negyedik átbillent állapota Kimutatható, hogy a 15. impulzusnál megtelik valamennyi tároló és 16 impulzusnál minden tárolónál adott a billenési feltétel, ezért a tárolók nullázódnak. 4.1 Összeadó áramkörök A bináris összeadást lényegében ugyanúgy végezzük, mint a

decimális számok körében. Ha lehetséges a számokat összegezzük az adott helyiértééken (pl. 1 + 0 = 1), ha nem, akkor átvitelt képezünk a magasabb helyiértékek felé (pl. 1 + 1 = 0, és 1-et átvisszük a magasabb helyiértékre) A legkisebb helyiértéken az összeadás igazságtáblázata: x y összeg átvitel 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 A diszjunktív normálalak felhasználásával kapjuk a legkisebb helyiértékű összeadás logikai függvényeit. A függvényeket realizáló logikai hálózatot félösszeadónak nevezzük (41-1 ábra) Az összegre (S: sum) felírt logikai függvény a kizáró vagy (jele: =1) logikai kapcsolat. Az összeg értéke 1, ha csak az egyik összeadandó értéke 1, minden más esetben (0 + 0, 1 + 1) nulla. A 4.1-1 ábrán megadtuk a félösszeadó kizáró vagy áramkörrel felépített változatát is (az átvitel képzés nem módosult) és az input/output modellt is. A félösszeadó önmagában nem alkalmas több bites (bináris

helyiértékes) számok összeadására, mert az előző helyiértékről az átvitelt nem tudja figyelembevenni. 5 S = x· y + x · y C=x·y x 1  x x· y 1 y y S =1 S összeg  1 (S : sum ) (C : carry )  C x· y C  x átvitel x· y y félösszeadó S C összeg átvitel 4.1-1 ábra Két félösszeadót megfelelően összekapcsolva kapjuk a teljes összeadót (4.1-2 ábra), amelynek három benete van: (x, y, áthozat) és két kimenete (összeg, átvitel). Belátható, hogy a teljes összeadóból akkor jön ki átviteli jel (logikai 1 érték), ha átvitel vagy az egyik félösszeadóban keletkezett, vagy a másikban. Az előző helyiértékről érkező áthozatot a második félösszeadó dolgozza fel. A teljes összeadó természetesen csak egy helyiértéken képes műveletet végezni Több bites adat (pl. 1 bájtos) esetén az összeadás soros, vagy práhuzamos módját választhatjuk. Soros összeadásnál elegendő egy teljes összeadó,

ennek bemenetére léptetőregiszter (3.16 fejezet) adagolja egymás után a biteket, ezeket a teljes összeadó összegzi, a keletkezett átvitelt tárolva a következő bitnél vesszük figyelembe. A teljes összeadóból kilépő bitek soros-párhuzamos regiszter párhuzamos kimenetén adják az összeget. Párhuzamos műveletvégzésnél minden egyes biten egy teljes összeadót kell alkalmazni, az összeaadandók egyszerre kerülnek a bemenetekre, de az összeg nem egyszerre jelenik meg valamennyi kimeneten. Ki kell várni, míg az átvitel áthullámzik a legalacsonyabb helyiértékről a legnagyobbra Leghamarabb a legalacsonyabb helyiértéken kapunk végleges eredményt, mert az átvitel soros módon terjed. A számolási idő rövidítése érdekében előrelátási technikát alkalmaznak. Az átvitelről tudjuk, hogy akkor keletkezik, ha 1. x = 1, és y = 1, 2. van áthozat és valamelyik bemeneti változó logikai 1 értékű. Az előrelátó áramkör nem túl bonyolult,

ÉS, VAGY kapukból megépíthető, ezáltal a párhuzamos összeadó műveleti ideje csökken. 4.2 Kivonó áramkör Legyen D (difference) a különbség, C (carry) az átvitel. A kivonás (x - y) igazságtáblázata: x 0 0 1 1 y 0 1 0 1 különbség 0 1 1 0 6 átvitel 0 1 (a különbség negatív) 0 0 x y =1 D=xy+xy ( D : differencia ) C=xy ( C : carry ) különbség D x y 1  félkivonó D C különbség átvitel átvitel C 4.2-1 ábra A diszjunktív normálalak alapján felírható a logikai függvény és megadhatő a kivonás logikai hálózata (4.2-1 ábra) Két félkivonó áramkör alkotja a teljes kivonót Hasonlóság figyelhető meg az összeadó és kivonó áramkör felépítésében és az igazságtáblázatban. A számítógépekben egyetlen áramkör végzi az összeadás és kivonás műveletét, csak ekkor a kivonandót negatív számként kell kezelni. Negatív szám ábrázolására a gyakorlatban a kettes komplemens képzés terjedt el.

Valamely bináris szám kettes komplemensét megkapjuk, ha minden bitjét negáljuk és kapott értéket eggyel növeljük. Pl : szám: 0110 bitenként negálva: 1001 eggyel növelve: 1010 (kettes komplemens) A kivonás tehát a kivonandó kettes komplemensével összeadásra vezethető vissza. Néhány példa: 4 + (-2) = 2 4 0100 0100 2 0010 negálva 1101 +1 1110 1110 eredmény 0010 15 + (-7) = 8 15 1111 1111 7 0111 negálva 1000 +1 1001 1001 eredmény 1000 A fenti 4 bites példáknál a 24 bit helyiértéken túlcsordulás lépett fel, ha még ezen a helyiértéken vesszük a bit érték negáltját, helyes eredményt kapunk. Általában is igaz a legmagasabb helyiértéken bekövetkező túlcsordulás és a helyes érték előállítása negálással. 4.3 Összeadó - kivonó áramkör A teljes összeadó - kivonó áramkör felépíthető két félösszeadó - kivonó áramkörből, ennek funkcionális vázlata látható a 4.3 1 ábrán 7 . A p műveleti parancs az

elvégzendő összeadást vagy kivonást vezérli P x y félösszeadókivonó összeg különbség félösszeadókivonó áthozat 1 átvitel 4.3-1 ábra 4.4 Szorzás A számítógépekben a számítási, adatkezelési műveletek logikai alapműveletekre vannak visszavezetve. A bináris szorzás tényezői 1, 0 számjegyekből állnak A nullától különböző részszorzatok a szorzandó számjegyeivel azonosak, csak az eltolásra kell ügyelni A szorzat a részszorzatok összege Tehát a szozás léptetések (316 fejezet) és összeadások sorozata Végezzük el a decimális 10*3=30 műveletet bináris alakban: decimális 10 binárisan: 1010 decimális 3 binárisan: 0011 1010*0011 0000 0000 1010 1010 0011110 16 8 4 2 30 A 0-val való szorzást nem is kell végrehajtani. Célszerű megállapodni abban, hogy a szorzó melyik helyiértékén kezdjük a szorzást. A fenti példánál a legmagasabb helyiértékéről indultunk el Egyszerűsödik az algoritmus, ha a legalacsonyabb

helyiértéken kezdjük a szorzást, további példáinkon ezt szemléltetjük. 1010*0011 1010 1010 11110 Észrevehetjük, hogy szorzásnál a tényezők hosszánál nagyobb lesz a szorzat hossza. Ha a tényezők n bitesek, akkor a szorzatnak elegendő 2n bit. A szozás műveletének elvégzéséhez 3 tároló 8 elem, regiszter szükséges. Tegyük a szorzandót a B regiszterbe, a szorzót a C-be A szorzat az A regiszterben keletkezik, melyet akkumulátornak nevezünk (akkumulál - összegyüjt). Az A és C speciális tulajdonsággal rendelkezik: az adatok A-ban, C-ben bitenként eltolhatók, tehát léptetőregiszterek. A regiszter C regiszter Kindulási állapot: A regiszter üres (értéke 0), B-ben van a szorzandó, C-ben a szorzó. 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 A regiszter B regiszter C regiszter A C regiszter 0 0 1 1 l körrel jelölt helyiértékű számjegyével (0) kezdjük a szorzást. A részszorzat 0, ezt tárolni sem kell Léptessük balra 1 helyiértékkel a C

regiszter tartalmát: 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 A regiszter B regiszter C regiszter A szorzó nulla, ismét balra léptetjük a C regisztert: 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 A regiszter B regiszter C regiszter A szorzó a jelölt helyiértéken 1, szorozzuk meg a szorzandót (B regiszter). A rész-szorzat megegyezik a B regiszter tartalmával. Adjuk össze az A regiszter és B regiszter tartalmát, a részeredményt az akkumulátorban kapjuk: 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 A regiszter B regiszter C regiszter Léptessük az A és C regisztereket balra: 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 A regiszter B regiszter C regiszter 9 A szozó értéke ismét 1, a rész-szorzat a B regiszterben van, adjuk össze az A és B tartalmát: eredmény 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 A regiszter B regiszter C regiszter A szorzás algoritmusa is megfogalmazható: a szorzó kijelölt bitje határozza meg a művelet végrehajtását. Ha ez 1, akkor a szorzandó és az akkumulátor

tartalmát össze kell adni és utána léptetjük balra az akkumulátor és szorzó bitjeit. Ha a szorzó a kijelölt helyiértéken 0, akkor csak balra léptetés szükséges. 4.5 Osztás Az osztás ismételt kivonásra épül. Ha az osztandó és osztó a legmagasabb bit helyiértéken 0-val kezdődik, akkor előzetesen a számokat normálni kell. Ez azt jelenti, hogy addig léptetjük őket balra, míg a legmagasabb bit helyiérték 1 lesz. Ezzel a számok nagyságrendje megváltozik, ezért azt rögzíteni kell. Pl 00001111 szám bináris normálalakja 1,111 * 23 , vagy a decimális 3 bináris normálalakja 00000011 = 1,1 * 21 . A kitevők különbségét véve a hányados nagyságrendje kiszámítható: 1,1 1 1 * 2 3  . 2 2 1 1,1 * 2 Legyen az osztandó 15, osztó 3, a hányados 5. A nagyságrend számításánál az adatok lebegőpontos (normál alak) ábrázolásúak, mantisszáról és kitevőről beszélhetünk. A kitevő kiszámításához külön hardver blokkra van

szükség. Nézzük a mantissza számítását: Binárisan 1111 : 11 = 101 A műveleteket részletezve: 11 : 11 = 1 1 : 11 = 0 11 : 11 = 1 Töltsük normalizálva az A regiszterbe az osztandót és a B regiszterbe az osztót. Vizsgáljuk meg, hogy az A regiszter tartalma nagyobb egyenlő-e a B regiszter tartalmánál. Ha ez teljesül, akkor képezzük az A-B különbséget, ezt vigyük egy hellyel balra tolva az A regiszterbe. A hányados ekkor 1, írjuk ezt a C regiszter legalacsonyabb helyiértékére és léptessük ezt a regisztert is balra. Ha A kisebb B, akkor C legkisebb helyiértékére 0-át írunk, ezután léptetjük A-t és C-t, Az osztás műveleténél A kisebb B reláció eldöntése után következhet a numerikus kiszámítás. Két digitális szám ill kódolt információ közötti reláció (kisebb, nagyobb, egyenlő) jelzésére a nagyságkomparátorokat használunk. A relációkat logikai függvények írják le, ezeknek megfeleltethető egy logikai hálózat. A

TTL rendszerű integrált áramköri családban az SN 7485 nagyságkomparátor, amely két négybites számot hasonlít össze, három kimenete (kisebb, nagyobb, egyenlő) logikai 1 értékkel jelzi az eredményt. 4.6 Aritmetikai-logikai egység (ALU) Az adatokkal végezhető műveletek végrehajtása az aritmetikai-logikai egység (AritmeticLogic Unit) feladata. Azokat a számokat, amelyeken műveletet kell végezni a továbbiakban nevezzük operanduszoknak. Mint láttuk a műveletvégzéshez három regiszterre van szükség, 10 kettőben az operanduszokat, harmadikban az eredményt tároljuk. A regiszterek közül kettő léptető regiszter. A harmadik regiszter komplementálható a kivonás miatt A regisztereken kívül szükséges egy párhuzamos összeadást megvalósító áramkör, mivel összeadásra az alapműveletek visszavezethetők. Az ALU jellemzője, hogy hány bites adatokkal tud műveleteket végezni. Az IBM PC XT gépekben az adatok 8 bitesek voltak, az ALU

egység bemenetén két 8 bites operandusz (16 vezeték) bitjei áramlottak be a megfelelő regiszterekbe, a 8 bites eredményt az ALU kimenetén kapjuk. Az IBM PC AT gépek 16 ill 32 bitesek, ennek megfelelően az input/output csatlakozó felületek is szélesebbek. A 46-1 ábrán az adatáramlást betöltött nyillal, a vezérlő jeleket üres nyillal jelöltük. bemenet (operanduszok) léptetés A regiszter átvitel C regiszter összegező B regiszter komplementálás üzemmód vezérlés ALU kimenet (eredmény) 4.6-1 ábra 4.7 A mikroprocesszor Az egyetlen áramköri morzsán kialakított központi műveletvégző egységet nevezzük mikroprocesszornak, de a Central Processing Unit (CPU) megnevezés is használatos . Ez a számítógép műveletvégrehajtó egysége. A mikroprocesszor a belső adatutakon (adatbusz) szoros kapcsolatot tart a számítógép operatív memóriájával és az adatbeviteli, -kiviteli egységekkel. Részei: a külvilággal információcserét

bonyolító input/output egység, az eddig megismert aritmetikai-logikai egység, írható-olvasható regisztertömb (RAM), vezérlő egység a szinkronizáló órajel generátorral, a funkcionális egységek közötti kapcsolatot létesítő belső adatutak (belső busz), valamint a műveletvégzés algoritmusát tartalmazó ROM tár. A vezérlő egység gondoskodik az utasítások lehívásáról, értelmezéséről, végrehajtásáról. Az egyes lépéseket órajel ütemezi A vezérlő egység is tartalmaz regisztereket. Az utasításregiszterbe belépő információ tartalmazza kódolt formában a végrehajtandó műveletet. A vezérlőegység feladata a művelet minden 11 részletének kidolgozása és végrehajtása. Példaként legyen az utasításregisterben az akkumulátor komplementálás kódja. Ekkor a következő lépéseket végzi a vezérlő egység:  Az akkumulátor tartalmát a mikroprocesszor belső adatbuszára helyezi.  Az adabuszról a komplementálóba

viszi.  Végrehajtatja a komplementálást.  A komplementált adatot kiteszi a belső adatbuszra.  Visszatölti a komplementált adatot az akkumulátorba. A fenti algoritmust a komplementálás mikroprogramjának nevezzük. Az egyes aritmetikai, logikai műveletekhez (összeadás, kivonás, szozás, osztás, negálás, .) mikroprogramok tartoznak, ezeket a gyártó cégek a mikroprocesszor ROM -jában helyezik el. adat belső adatsin P aritmetikai - logikai egység RAM cache regiszter tömb vezérlő egység cím ROM óra vezérlő jelek 4.7-1 ábra A mikroprocesszor (P) input/output modelljét a 4.7-1 ábra szemlélteti Főbb információs áramok:  Kétirányú adatmozgás. A külvilágból érkező adatokat a belső adatsín fogadja és juttatja el a megfelelő funkcionális egységhez. Az adatfogalmat a legáltalánosabban értelmezzük, az adatszerkezet határozza meg tartalmát, amely lehet operandusz vagy program utasítás. A mikroprocesszorban

keletkezett eredmények a belső adatsínen keresztül jutnak ki a külvilágba  Vezérlő jelek. Vannak jelek, amelyek kívülről érkeznek, ilyen pl a RESET jel, amely a mikroprocesszort alaphelyzetbe állítja. Kimenő vezérlőjel a WRITE jel, amely kiküld adatot, a READ pedig beolvas.  Egyirányú, kifelé mutató cím információk. A számítógép részeinek (billetyűzet, képernyő, nyomtató, memória rekesz) címe van, a kapcsolatfelvételhez a cím jelöli ki a megfelelő funkcionális egységet. A processzor az adatokat és a memóriacímeket belső tárolóiban, a regisztereiben őrzi. Minél több ilyen regisztert tartalmaz, annál több adatot, pl. számítások részeredményét tudja 12 tárolni. Így amikor ezekre ismét szükség van, nem kell a memóriából behozni, ami időigényes, hanem azonnal rendelkezésre áll. A regiszterek nagysága határozza meg, hogy mekkora bináris számot tudnak tárolni. A világ első mikroprocesszora, az Intel által

1971-ben készített 4004-es 4 bites volt, vagyis 4 bites regiszterekkel dolgozott. Később megjelentek a 8, 16, napjainkban pedig a 32 és a 64 bites processzorok. A számítógépek memóriája a processzorhoz képest viszonylag lassú, ezért a működés gyorsítására a mai mikroprocesszorokba beépítenek egy kisméretű, belső cache-nek nevezett memóriát. A belső cache nagysága szintén fontos jellemzője a processzornak, ez kezdetben 1-4 Kbájt volt, ma egyre inkább a 8, 16 vagy 32 Kbájtos belső cache az általános. A cache lehet egységes, vagyis nem választja szét az adatokat és az utasításokat ilyen a 486-os sorozat vagy pedig külön van adat- és utasítás cache, ilyent használ a Pentium. A mikroprocesszor működését az órajel ütemezi, ami azt jelenti, hogy minden elemi lépés csak óraimpulzusra történik. Két impulzus között a processzor "áll" Az impulzusok szaporasága, vagyis az órajel frekvenciája szabja meg a sebességet. Az

órafrekvenciát természetesen nem lehet korlátlanul növelni, maximumát a processzor felépítése és melegedése határozza meg. A vezérlő egység órafrekvenciáját egy oszcillátor állítja elő. Az első IBM PC-ben a 8088 jelzésű mikroprocesszor 5 MHz-es órajelet használt. A mai PC-kben 40-160 MHz közötti órajellel működnek a processzorok. Jelentős a mikroprocesszorban keletkezett hő, ezért tokjára hűtőbordát, sőt hűtőventillátort szerelnek. Egyre jobban terjed az a technológia, amikor a mikropeocesszor a kívülről kapott órajelet belül megnöveli és ezzel ütemezi a belső működést. Előnye, hogy a belső működés felgyorsul, de a külső áramkörök órajele ugyanaz marad, tehát olcsóbbak. Az Intel processzoroknál a 486-os sorozatban kezdték alkalmazni ezt a módszert, a DX2 kétszeres, a DX4 pedig háromszoros vagy négyszeres belső órajellel dolgozik. Matematikai processzor Az Intel 8088, 286 és 386 processzorok csak az egész

számokkal végzett összeadás, kivonás, szorzás és osztás műveletekre vonatkozó utasításokat tudják végrehajtani. A magasabbrendű vagy nem egész számokkal végzett műveleteket ezekből az egyszerű utasításokból kell a programnak felépítenie, ami meglehetősen időigényes. Ezért fejlesztettek ki olyan processzort, amely törtekkel (lebegőpontos számokkal) is dolgozik. A matematikai processzor a mikroprocesszor kiegészítése, önállóan nem működőképes. A neki szóló utasítások a mikroprocesszor utasításai között vannak elhelyezve a programban. Az utasításokat a mikroprocesszor hívja le és felismeri a matematikai processzorra vonatkozókat, amelyeket átad neki. A számításhoz szükséges adatokat szintén a mikroprocesszor hívja le Az utasítás és az adat ismeretében a matematikai processzor dolgozni kezd. Ezalatt a központi processzor is folytathatja a program végrehajtását, amíg nincs szükség a matematikai processzor

eredményére. Így a két processzor bizonyos fokig párhuzamosan működik. Amikor a matematikai processzor végzett a számítással, ezt jelzi mikroprocesszornak, amely megcímzi a memóriát az eredmény tárolásához. Az Intel a fent említett típusok mindegyikéhez elkészítette az illeszkedő matematikai processzort 8087, 287 és 387 típusszámmal. Az IBM a PC-nél egy üres foglalatot helyezett el az alaplapon, így felkészítette a matematikai processzor használatára, amit egyszerűen csak a foglalatba kell helyezni. A 486-os processzorba már beépítették a matematikai processzort, ezért kezdetben ehhez nem készült külön matematikai processzor. Ezekre a műveletekre nincs minden felhasználónak szüksége, ezért jelent meg a 486SX típus, amelyből hiányzik a matematikai processzor, tehát olcsóbb. A 486SX mellé pedig kihozták a 487-et A Pentiumból eddig még nem készült matematikai processzor nélküli változat, de például a NexGen Nx586-osaiban

nincs lebegőpontos egység. 13 4.8 A számítógép A számítógép billetyűzeten, monitoron, nyomtatón keresztül tart kapcsolatot a külvilággal. Ezeket az egységeket input/output eszközöknek nevezzük. További funkcionális egységek a RAM, ROM és a mikroprocesszor. A számítógépre jellemző fontos folyamatokat a mikroprocesszor hangolja össze, amely a külvilág felé:  kétirányú adatforgalmat bonyolít le,  megcímezi a használni kivánt funkcionális egységet,  vezérlő jelet fogad (pl. RESET) és vezérlő jelet küld ki (írás, olvasás, ) Az információs áramok három nagy csoportja figyelhető meg: adatátvitel, címzés, vezérlés. Realizálásukra három különálló vezetékköteg szolgál:  címsín,  adatsín,  vezérlósín. A címsín egyirányú jelvezetékek csoportja. Feladata meghatározni azt az eszközt, amelyikre az adatátvitel vonatkozik. Az egymás mellett futó vezetékek számát a címezhető egységek száma

határozza meg. Ha a címsín 16 vezetékes, akkor a címezhető egységek száma 216 = 65 536. Címezhető egységek: billentyűzet, monitor, nyomtató, háttértárak, , memória rekeszek Nagy tárkapacitású memóriák eléréséhez 16-nál több vezetékes címsín szükséges. Az adatsínen keresztül történik az információ csere valamely megcímzett funkcionális egység és a mikroprocesszor között. Több párhuzamosan futó vezetékből áll, jellemzője a bitekben mért szélessége. A vezérlősín egyes vezetékei csak egyirányúak, a rajtuk futó jelek között vannak, amelyeket küld, vannak amelyeket fogad a mikroprocesszor. Alapesetek:  A mikroprocesszor adatokat fogad a memóriából.  A mikroprocesszor adatokat ír a memóriába.  A mikroprocesszor adatokat fogad egy külső eszközről.  A mikroprocesszor adatokat küld egy külső eszköznek. A 4.8-1 ábrán a számítógépek három sínes felépítését adtuk meg A sínekre egyszerre több

egység is csatlakozhat három állapotú (Tri - State) kimenettel. A háromállapotú kimenet tiltáskor nagyimpedanciás állapotban van (lebeg), úgy viselkedik, mintha eltávolítottuk volna a rendszerből, egyáltalán nem befolyásolja a sín állapotát. Engedélyezett állapotban ez a kimenet is a két logikai szint egyikében van. Mivel az adatsínem kétirányú az információ áramlás, ezért háromállapotú un pufferelemre van szükség, amely az engedélyező jel logikai értékétől (0,1) függően "olvas", "ír" adatirányt (a processzor felől nézve) tud megvalósítani a nagyimpedanciás állapot mellett. Ezek a jelek kölcsönösen kizárják egymást, a mikroprocesszor vezérlő egysége adja ki ezeket a jeleket. A sínek több párhuzamosan futó vezetékből állnak, számuk a számítógép bonyolultságától függően 8, 16, 32. Az egyes síneken belül rögzített a vezetékek bináris helyiértéke A síneken párhuzamos

(helyiértékes) ábrázolásban- mindig egy bináris szám van jelen: cím, adat, vezérlőjel A működés során a processzor a címsínre egy olyan bináris számot (címet) tesz ki, amely jelzi az adott funkcionális egységnek, hogy vele akar kommunikálni. Az adatsínre rákerül a továbbítani kivánt adat. A vezérlősínre olyan kód kerül, amely meghatározza a kivánt műveletet (írás, olvasás) és a művelet végrehajtódik. A ROM-ból csak olvasni lehet adatokat. Használatához megfelelően be van állítva a rekesz címe és olvasó műveletet kérhet csak a vezérlő egység. A RAM írható és olvasható is, itt már szükség van az előzőekben részletezett adatirány kiválasztására, a cím választja ki a megfelelő memória rekeszt. A dinamikus RAM bemeneti, kimeneti vezetékei elkülönülnek, ezeket a közös adatvezetékre három állapotú kapukon keresztül lehet kapcsolni. A RAM elérési ideje 33 Mhz órajel frekvenciáig összhangban van

mikroprocesszor 14 műveleti sebességével, ennél magasabb frekvenciájú órajelnél a processzort a RAM lelassítja. A probléma feloldására alkalmazzák a gyors működésű cache memóriát. A számítógép sínrendszeréhez csatlakozik az input/output egység is. Ez biztosítja a külvilág felé a kapcsolatot. Leggyakrabban használt input eszközök a billetyűzet és az egér Output eszközök a monitor, nyomtató. Kétirányú adatáramlás valósul meg a winchesternél és a hajlékonylemezes meghajtónál. A CD-ROM csak olvasható háttértároló A számítógép legfontosabb része az alaplap, ezen helyezkedik el minden, ami az alapvető működéshez szükséges:- mikroprocesszor- memória (RAM, ROM) - input/output egység. Az alaplapon olyan széles adat- és címbusz vezet a mikroprocesszortól a RAM-ig, ahány bites a CPU, illetve amekkora a címzési kapacitása. A memóriát kezdetben különálló integrált áramkörök alkották, ma egy foglalatba

helyezhető modul. A bekapcsolás vagy reset után lefutó tesztet és az alapvető hardver kezelő rutinokat (BIOS) az alaplapon elhelyezett ROM tartalmazza, ezért gyakran nevezik ROM-BIOS-nak. A processzor bekapcsolás vagy reset után, mivel a RAM memória ekkor még üres, mindig a ROM memóriából kezdi az utasítás végrehajtását. P ROM pl. RESET RAM cach adatsin címsin vezérlősin input / output egység billentyüzet egér monitor nyomtató háttér tárolók: -winchester -floppy -CD-ROM 4.8-1 ábra Jól látható az alaplapon egy kis akkumulátor. Ez táplálja az óraáramkört amely akkor is méri az időt és számolja a dátumot, ha a gép nincs bekapcsolva. Az alaplapon található a billentyűzet csatlakozója és a hangszóró. 4.81 Hardver alapműveletek A mikroprocesszoros rendszer helyes működésének alapfeltétele a megfelelő időzítések biztosítása. Elemi követelmény, hogy a síneket egy adott műveletnél csak a szükséges

funkcionális egységek használják. A mikroprocesszorok jeleit idődiagramokon szokás ábrázolni. Mint ismeretes, a digitális jeleknél a pontos feszültségértékeknek nincs gyakorltati jelentősége, csak annak, hogy ez a feszültségérték az L vagy H tartományon belül van-e. Ezért az idődiagramok stilizáltak Az alacsony, magas szinteket megfelelő magasságú vizszintes egyenesekkel rajzoljuk, a kettő közötti átmenetet ferde vonal jelöli. Az ábráról az időtengelyt is elhagyjuk Az órajel periódusiedejének megfelelő távolságú függőleges vonalakkal ütemekre oszthatjuk a diagramot. A számítógépben négyféle hardver művelet történhet:  tárbeírás  tárkiolvasás MEMW MEMR 15 (memory write), (memory read),  kiviteli írás  beviteli olvasás (input-output write), (input-output read). IOW IOR Adatok átírása CPU-ból RAM-ba A 4.81-1- ábra szemlélteti a sikeres tárműveletet A síneken a két vonal a H, L szinteket jelenti.

Az egymást metsző vonalak az x karakterre emlékeztetnek és az értékváltást jelzik Jelentse a tárcímet az A0.AN bináris szám, ezt kiadja a mikroprocesszor a címsínre Ekkor értékváltás következik be a címsínen, az időpontot a H, L szintek keresztezése jelöli. Most a művelet szempontjából az A0.AN konkrét értéke nem is érdekes, a diagram ezt az információt nem tartalmazza. Ezután kerülnek az adatok (D0D7) az adatsínre, amelyen a változást a H, L szintek keresztezése jelöli. A CPU és RAM kiválasztott rekesze között az adatátvitel lebonyolítása az adatsín feladata. címsín A0.AN = tárcím D0 . D7 = adat a tárnak adatsín vezérlősín MEMW : vezérlőjel 4.81-1 ábra A cím kijelölésével az adatsín ténylegesen összeköti a két eszközt, de a beírás meg hátra van. Utolsó esemény a tár írásengedélyező bemenetének aktivizálása A vezérlősín egyik feladata, hogy meghatározza, milyen típusú hardver művelet

kerüljön végrehajtásra az adott pillanatban. A vezérlőegység MEMW jel memória írást jelent, ennek negáltja az az L-szintű jel, amely az előkészített címen az adatsín tartalmát a memóriába írja. (Mikroprocesszortól függően ez a vezérlőjel lehet H-szintű is.) Az ábrán jól látható, hogy a negált MEMW jel csak akkor kerül kiadásra, ha már a megfelelő előkészületek megtörténtek. Az írás lezajlása után a címsín nagyimpedanciás, lebegtetett állapotba kerül, erre utal a szaggatott vonal. 16 Olvasás RAM-ból címsín A0.AN = tárcím MEMR : vezérlőjel vezérlősín adatsín D0 . D7 adat 4.81-2 ábra A 4.81-2 ábra szemlélteti a müvelet időbeli lefolyását A CPU kijelöli a RAM címet, a negált MEMR jel kiolvassa a rekesz tartalmát és ezt megkapjuk az adatsínen. Adatok írása kiviteli eszközre Kiviteli eszköz pl. monitor, nyomtató, de lemezre is küldhetők adatok A 481-3 ábra hasonlít a tárba való íráshoz, csak

most output eszköz fogadja az információkat. A CPU kiadja címsínre az output eszköz címét, adatsínre kerül a továbbítandó adat, az átadást a negált (tipusfüggő) IOW vezérli. címsín A0.AN = eszközcím D0 . D7 = adat adatsín vezérlősín IOW 4.81-3 ábra Ha az eszköz (pl. nyomtató) lényegesen lassúbb, mint a processzor adatfeldolgozó sebessége, akkor kézfogásos (Handshake) módszert alkalmazunk. Ebben az esetben a CPU-nak tudnia kell, hogy az eszköz mikor végzett feladatával, mikor tudja fogadni a következő adatot. A kezdeményező CPU kérő jelet (request) bocsát ki az eszköz felé. Amikor az eszköz kész a kért tevékenység elvégzésére, akkor egy nyugtázó jelet (acknowledgement) küld vissza a kérő egységnek. Adatok olvasása beviteli eszközről Beviteli eszközről történő olvasásnál a CPU kijelöli az eszköz címét, a negált (típusfüggő) IOR vezérlőjel aktivizálja a beolvasást (4.81-4 ábra) 17 címsín

A0.AN = eszközcím IOR vezérlősín adatsín D0 . D7 adat 4.81-4 ábra 4.82 Perifériák A számítógépnek adatbevitelre, illetve -kivitelre vagy külső adattárolásra szolgáló egysége a periféria. Beviteli perifériák:  billentyűzet,  egér,  fényceruza,  optikai letapogató (scanner). Kiviteli prifériák:  monitor,  nyomtató,  plotter,  akusztukus kiviteli eszközök. Adattárolásra, bevitelre/kivitelre használt perifériák:  mágneslemezes tár (merevlemezes vagy hajlékonylemezes),  mágnesszalagos tár,  CD-ROM. (Utóbbi perifériákkal a 3.2 fejezetben foglalkoztunk már) A számítógépek két szabványosított csatlakozó felülettel rendelkeznek, egyes külső eszközök ezekhez közvetlenül kapcsolhatók. Ilyenek az egerek, nyomtatók, plotterek  A Centronics interfész, párhuzamos adatátvitelt képes megvalósítani.  Az RS-232 soros intefész, a gép kommunikációs csatlakozója (jelölése COM1, COM2). A

perifériák kezelését, kiszolgálását autonómiával rendelkező perifériaprocesszor végzi, amely a CPU irányítása alatt áll, de azt tehermentesíti. A billentyűzet A billentyűk száma 84, 101, 102, ennyi kapcsolót mátrix elrendezésben lehet egyszerűen kezelni. Feladat a lenyomott billentyű figyelése Ezt a meglehetősen időigényes feladatot a billentyűzet saját processzora látja el, amely pásztázva figyeli az oszlop-, sor metszéspontjain lévő kapcsolókat. A leolvasott gombok adatai (kódok) tárolóba kerülnek 16 karakter a tároló kapacitása, 18 kivenni csak az először betöltött adatot lehet. A leütött billetyű kódja három állapotú meghajtó kapun keresztül az adatsínre kerül. A billentyűk kapcsolóira elterjedt megoldás a kapacitív és a Hall-generátoros kapcsolóelemek használata.  A kapacitív elven működő kapcsolók a billentyű elmozdulását alakítják át kapacitásváltozássá. A kapacitást

váltakozófeszültségű hídban mérjük  A Hall-generátoros megoldásnál a billetyűzeten kicsiny permanens mágnes van, melyet lenyomva félvezető lapkához közelíthetjük. A lapkán állandó áram folyik át A áram irányára merőlegesen a lapkán feszültség keletkezik (Hall-feszültség), ha a billetyűt lenyomtuk. Egér Az egér (mouse) mutató eszköz, a képernyőn a menűpontok, ikonok gyors kiválasztását segíti.  A mechanikus egér (4.82-1 ábra) belsejében a mozgást fém, szilikon, vagy gumi golyó veszi fel. A golyó két egymásra merőleges hengerhez támaszkodik, ezek elfordulása reprezentálja a síkbeli mozgás x, y koordinátáját. A hengerek tengelyén kódtárcsa van A hengerek elfordulását opto kapukkal számlálják. A vezető görgő kopásának és elszennyeződsének megakadályozására mouse-padot (alátétet) használunk.  Az optikai egérben vörös, zöld fénysugarat kibocsátó LED-et mozgatunk tükröző felület felett. A

tükröző felületen finom rácsrajzolat van, egymásra merőleges vörös, zöld elnyelő vonalakkal (x, y irány). A tükörről visszavert fényt két fototranzisztor érzékeli A fénysugarakat kézzel finoman mozgatva a rács rajzolat kioltást okoz, ebből megállapítható, milyen irányban történt a mozgás. támasztó görgő x villamosjel opto kapu y villamosjel opto kapu kódtárcsa kódtárcsa mozgás átvivő henger mozgás átvivő henger 4.82-1 ábra Az egérbe épített áramkör a kapott villamos impulzussorozatot az RS-232 soros interfészhez való csatlakoztatásra alkalmas jellé konvertálja. 19 Fényceruza Katódsugárcsöves nonitorokhoz használt ceruza alakú eszköz, amellyel a képernyő egy tetszőleges pontja kijelölhető. Csúcsában fényérzékelő van, amely a rajzoló elektronsugár hatására jelet továbbít a számítógépbe. A jel beérkezése a sorfrekvenciás eltérítő jel időfüggvényén pontosan megfigyehető, ezáltal a

fényceruza koordinátája meghatározható. Fényceruzával a képernyőn legördülő menűkből, ikonokból választhatunk. Scanner A scanner optikai letapogató, a papíralapú információhordón lévő kép, szöveg bevitelére alkalmas. rés dokumentum optika fényforrás CCD érzékelő 4.82-2 ábra Saját fényforrása van, a reflektált fényt villamos jelsorozattá alakítja. A dokumentum egy rés előtt mozdul el a 4.82-2 ábra szerint A dokumentum résszélességű részletét optika képezi le az érzékelőre, amelyben vonalmenti elemi kondenzátorok töltődnek fel a fény hatására. A kondenzátorok feszültségét vezérlő elektronika olvassa ki pontról-pontra. A jelet digitalizált formában számítógép kezeli. Monitor A hordozható számítógépek folyadékkristályos kijelzőt (Liquid Crystal Display = LCD) használnak. Az LCD átlátszó elektródák között elhelyezkedő folyadékkristályból áll, amely villamos erőtér hiányában átlátsó, de

az erőtér hatására átlátszatlanná válik, mivel fényvisszaverő képessége megváltozik. Az elektródák alkalmas megválasztásával karakterek, grafikák jeleníthetők meg. Készül monochrom ill színes változatban Az LCD írásvetítővel kivetíthető Elterjedt megjelenítő a katódsugárcsöves kijelző. A megjelenítés alapelvét már ismertettük a 2.67-3 és 267-4 ábrával kapcsolatban A kép minőségét a monitorvezérlő kártya és monitor minősége együttesen határozzák meg. A kép pontokból áll, ezek vizszintes-, függőleges irányú száma VGA, SVGA típusú monitoroknál: 640x480, 800x600, 1024x768. A monokrom kivitel 16 tónust különböztet meg, a színes változat a képernyővezérlő-kártya memóriaméretétől függően 256, 65 536, 16 000 000 szín kijelzésére alkalmas. 20 Nyomtató A nyomtatók intelligens perifériák, saját vezérlő processzorral rendelkeznek, a rendszer működéséhez szükséges programokat és a

karakterkészletet a saját ROM tárolja, az adatsínen érkező adatok átmenetileg a RAM-ba kerülnek. A mátrix nyomtató a kiírandó pontokat tűk segítségével állítja elő, a 9 tűs nyomtatófejben a tűk egymás alatt helyezkednek el, a tűket elektromágnes mozgatja (4.82-3 ábra) A 24 tűs nyomtatófejben 12 -12 tű van egy oszlopban, de a második oszlop kissé lentebb van csúsztatva. Ezáltal az íráskép jobb minőségű festékszalag tű nyomtató fej 4.82-3 ábra A tintasugaras nyomtató egyik megoldása 9 fúvókából fujja a festékcseppeket a papírra, a mátrixnyomtatóhoz hasonlóan alakítva a karakterket. A festékcseppeket piezo kristályos szivattyú és a kapcsolódó cseppképző állítja elő. A nyomtatófejben több (pl 9) fúvóka van, hasonló funkcióval, mint a mátrixnyomtatóban a tűk. Ilyen elrendezésnél a fej egyszeri mozgatásával ki lehet írni egy teljes sort. A nyomtatófej nem érintkezik közvetlenül a papírral, ezért

működésük csendes. nyomtatófej elmozdulás szivattyú papír festék festék cseppképző 4.82-4 ábra 21 A lézernyomtató legfontosabb eleme a szelén borítású alumínium henger, amely negatív villamos töltésű. A henger palástjának mérete a nyomtatandó lapnak felel meg Felületét fényérzékeny szelénnel borítják. A szelén sötétben jól szigetel, erre pozitív töltést visznek fel, amely a palástfelületen egyenletes eloszlású. Megvilágítás hatására a szelén vezetni kezd és a palást felületi töltése lokálisan csökken. A megvilágítás vékony lézersugárral történik, amely áthalad az eltérítő egységen. Az eltérítést a megjelenítendő információ vezérli A nyomtatandó minta kirajzolódik a szelénen nem látható villamos töltéskép formájában (4.82-5 ábra) A henger felületén töltött illetve töltésmentes pontokat hozhatunk létre, ez a látens kép. Láthatóvá úgy tehetjük, ha negatív töltésű

festékporral beszórjuk a henger felületét. A henger mintázatát papírra hengerítve megkapjuk a nyomtatott lapot, amelyen a festéket kb. 300 oC-on rögzítik. A szelén bevonat törlése a pozitív töltések eltávolításával oldható meg: a hengert kisütő lámpa egyenletesen megvilágítja és a szelén pozitív töltését elveszti. Az eljárás kiemelt fontosságú mozzanata az eltérítő egységben zajlik le. Az eltérítő egység nyomás alatt lévő folyadéktartály Ezen átvezetve a lézersugarat, annak polarizációs síkja megváltozik. Polárizációs szürőkkel a polarizácíós sík megváltozása intenztás változássá alakítható. A fénysugár intenzitása a szelén felület töltésmennyiségét befolyásolja. Változik tehát a megkötött festékszemcsék mennyisége, ezzel a nyomatatott lap tónusa. A lézernyomtató is soronként végzi a megjelenítést Ehhez a lézersugarat a henger alkotója irányában is mozgatni kell. Erre a célra a

lézernyaláb sugármenetébe állított forgó tükröt használnak Plotter lézer sugár tükör eltérítő egység vezérlés (nyomtatandó információ) töltéskép (látens) negatív töltésű aluminium henger szelén 4.82-5 ábra Vonalas ábrák készítésére alkalmas. A tábla plotternél a papír rögzített, a toll mozog x, y irányban. A szines tollak parkolóban vannak, innen program emeli ki és helyezi vissza A dobplotter a papírt görgeti a toll alatt. A toll a dob alkotójával párhuzamosan mozdulhat el, ez az x irány. Az y irányú elmozdulást a papír görgetése jelenti A kétirányú mozgás tetszőleges görbült vonalak, karakterek rajzolását teszi lehetővé. Akusztikus kiviteli eszközök 22 Részei a sínekhez csatlakozó hangkártya, a hangszórók (R, L), mikrofon. A hangkártya D/A konvertert tartalmaz, amely a programozó által előállított digitális jelsorozatot analóg jellé alakítja és azt erősíti, a hangszórókban

megszólaltatja. 23 Phare Program HU-94.05 (APP/3/032) Az oktatás és a gazdaság kapcsolatának erősítése Dr. Keresztesi Miklós: INFORMÁCIÓTECHNIKA II. 5. Irányítás Számítógépes grafika: Imrek Gyula 1996 http://davinci.jptehu/ami/indexhtm Európa Unió - PHARE program.lnk Információtechnika.lnk 5. Irányítás Az irányítás olyan művelet, amely valamely folyamatot elindít, fenntart, megváltoztat vagy megállít. A folyamat technikai rendszerben valósul meg, amelybe anyagot, energiát kell betáplálnunk, kimenetén másfajta anyag, energia jelenik meg. A célirányos működéshez a rendszert irányítani kell. Az irányítás is egyfajta információfeldolgozás. Az anyag- és energiafolyamok irányításához információkat kell szereznünk a rendszer állapotáról, az információk alapján ítéletek, döntések születnek a beavatkozás szükségességéről. Az irányítás részműveletei:  Érzékelés. Információszerzés a

folyamatról  Ítéletalkotás és rendelkezés. Az érzékelt jellemző alapján el kell dönteni, hogy kell-e beavatkozni a rendszer állapotába.  A beavatkozás végrehajtása. Ha az irányítási folyamatban az ítéletalkotást az ember végzi, kézi irányításról beszélünk. Az automatikus irányításban az ember nem vesz részt, az érzékelést, ítéletalkotást, rendelkezést a beavatkozásról és a folyamatba való beavatkozást az automatikus irányító rendszer végzi. Az irányítás egy lehetséges felosztása (5-1 ábra): irányítás automatikus kézi (5.-1 ábra) Ha az irányított folyamatba való beavatkozás nem a folyamat lefolyásáról szerzett információk alapján megy végbe, akkor vezérlésről beszélünk. A vezérlés nem veszi figyelembe a bevatkozás hatásosságát. A szabályozás figyeli a beavatkozás sikerességét és mindaddig beavatkozik a folyamatba, míg a szabályozott jellemző a kivánt értéket fel nem veszi. Nevezzük

a rendszer vizsgált paraméterének előírt értékét "kell" szintnek, az érzékelt értéket "van" szintnek. A szabályozás negatív visszacsatolással viszi a rendszer paramétert a "kell" 2 http://davinci.jptehu/ami/indexhtm Európa Unió - PHARE program.lnk Információtechnika.lnk értékre. A beavatkozás előjelét a "kell" és "van" szint különbsége határozza meg és az irányítás a két szint egyenlőségére törekszik. Az irányítás felosztható a beavatkozás sikerességének figyelése szempontjából is (5.-2 ábra) irányítás szabályozás vezérlés (5.-2 ábra) Tekintsünk néhány példát!  Kézi vezérlés. A centrifuga fedelének lecsukásával bekapcsoljuk a motort és elkezdjük a mosott ruha kicsavarását.  Önműködő vezérlés. A közvilágítás bekapcsolása alkonyatkor Érzékelő figyeli a megvilágítás erősségét és előre rögzített szint alatt feszültség alá

helyezi a lámpákat. Az irányító rendszer nem figyeli a bevatkozás hatásosságát, nem vesz tudomást pl. a kiégett lámpákról.  Kézi szabályozás. Gyermekkádba előírt ("kell" szint) hőmérsékletű víz betöltése Meleg vizet engedünk a kádba, hőmérővel mérjük a hőmérsékletet ("van" szint) és az eltérés mértékétől, előjelétől függően beavatkozunk a meleg ill. hideg szelepnél  Automatikus szabályozás. Előírt hőmérsékletű víz előállítása, mosógépben, bojlerben Fűtőtest melegíti a vizet, hőmérő érzékeli a "van" szintet. A "kell" szint a berendezéssel kívülről közölhető (pl. mosóprogram kiválasztásával) Ha a víz felmelegedett a kívánt értékre, akkor a fűtőtestet az irányító rendszer kikapcsolja. A környezet zavaró hatását (hőveszteség) az irányító rendszer képes kivédeni. Az automatikus irányító rendszerek ma már többnyire számítógép alapúak

(5.-3 ábra). 3 http://davinci.jptehu/ami/indexhtm Európa Unió - PHARE program.lnk Információtechnika.lnk érzékelés: "van" szint  input interfész "kell" output interfész zavar beavatkozás folyamat  5.-3 ábra Az 5.-3 ábra az on-line számítógépes, automatikus szabályozás elvét mutatja A folyamat valamely paraméterét kívánjuk irányítani, ennek "kell" szintjét billentyűzeten megadjuk. Az érzékelő szolgáltatja a "van" szintet, ítéletalkotás a számítógép programjával valósul meg. A program által kidolgozott rendelkező jel működésbe hozza a beavatkozó szervet. Az input/output információk illesztő egységeken, un interfészeken keresztül kerülnek kapcsolatba a számítógéppel. Az interfészek egyik csoportja digitális input/output funkciókat lát el. Ilyenkor a külvilág digitális jeleit kell illeszteni a számítógép belső TTL jelszintjeihez. A külvilág analóg jeleit

az analóg/digitál illetve a digitál/analóg konverter illeszti a számítógép digitális jeleihez. 4 http://davinci.jptehu/ami/indexhtm Európa Unió - PHARE program.lnk Információtechnika.lnk 5