PDF-лекции (1128548), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Не последнюю роль в передаче информации играет объем кэшпамяти устройств.Лекция №13Связь ЭМВ с внешней средойЛинии связи между ЭВМИнформация в реальном мире представляется разными способами: с помощью оптических, звуковых илинекоторых других видов сигналов. Для того, что информация могла адекватно восприниматься компьютером,сигналы необходимо преобразовать в цифровые. Для этого нам необходим соответствующее устройство,которое преобразует входной сигнал в электрический. Тогда обработка сигнала будет происходить уже вэлектрической форме (например, его усиление). При работе с электрическими сигналами оказываетсяслишком много источников шумов.
Тепловой шум возникает постольку, поскольку движение носителейзаряда носит тепловой характер (скорость движения зависит от температуры). Бороться с этим шумомдовольно тяжело. Следующий шум носит название дробового. Его появление связано со скачком тока вмомент его прохода через некоторое сечение. Избежать этого шума можно с помощью использованиявысоких частот (выше 100 МГц). Еще один вид шума называется 1/f-шум и уменьшается с увеличениемчастоты.
Спектральная плотность этого шума практически бесконечна на нулевых частотах.α1S ≈ , где α близко к единице.fУстранение шумов всегда являлось и является проблемой при передаче электрического сигнала.Некоторая информация о передаваемых данных помогает защитить их от постороннего шума. Этотпринцип используется при передаче цифровых сигналов. Это необходимо для того, что бы различать уровнилогического нуля и единицы.
Если бы приемнику не был известен порог напряжения, выше которогорасположен сигнал, соответствующий логической единице, и ниже которого расположен сигнал,соответствующий логическому нулю, передаваемая информация не имела бы никакого смысла. Ограничениеобъема информации так же увеличивает помехоустойчивость данных. Передача сигналов на неограниченныерасстояния невозможна из-за потерь энергии на распространение. Для того чтобы обеспечить приемлемуюпередачу электрического сигнала, провода изготавливают из металла: меди, алюминия и некоторые другиеметаллы. Дело в том, что проводники имеют низкое сопротивление, а значит и сигнал мало ослабевает.
Навысоких частотах ток будет распространяться только по поверхности металла, носители зарядарассредоточатся по поверхности. Слой на поверхности металла, по которому будет распространяться ток,носит название скин-слоя. Сопротивление такого проводника будет определяться уже не площадью сечения,а периметром скин-слоя в сечении. То есть сопротивление заметно увеличится. Для переноса электрическойэнергии применяется многопроводная линия.
При пропускании переменного тока электроны осциллируют,двигаются с ускорением, а значит практически постоянно (за исключением некоторых положенийравновесия) излучают электро-магнитные волны. Рассмотрим двухпроводную линию, где для передачиэнергии в одном направлении используются два провода. Например, коаксиальный кабель. Он состоит изцентрального проводника – жилы и внешней экранирующей оплетки. Между ними находится внутреннийизолирующий материал – диэлектрик. Внешняя изоляция защищает от сторонних воздействий на провод.Прослойка из диэлектрика выполняется в виде спирали, намотанной на жилу.Двухпроводный кабель не позволяет резко изгибать линию передачи, так как энергия по такому кабелюпередается в виде электромагнитного поля, для которого нарушение геометрии очень и очень критично.Другим примером многопроводного кабеля является так называемая витая пара.
Витая пара – это дваизолированных скрученных медных провода, причем направление закручивания имеет направление. От этогонаправления зависит правильность движения электромагнитной волны в одну и другую стороны.Многопроводная линия может быть описана с помощью эквивалентных схем, использующихся вэлектричестве. Фактически многопроводный кабель представляет собой два проводника, расположенные нанекотором расстоянии друг от друга.
С точки зрения электричества пара проводников на некоторомрасстоянии – это конденсатор, который способен зарядиться. Отсюда и одна из характеристик кабеля –погонная емкость, которая в среднем колеблется от 50 до 100 пикафарад/метр. Кроме того, свойства кабельопределяется погонной индуктивностью. Эти две характеристики кабеля определяют скоростьраспространения по нему электромагнитной волны. Волновое сопротивление представляет собой отношениенапряжения к силе тока в данном сечении передающей линии при распространении в ней электромагнитныхволн.Описание распространения электромагнитной волны происходит следующим образом с помощью«телеграфных» уравнений (впервые многопроводная линия была применена на телеграфе):∂I∂V=C∂z∂t∂V∂I= −L∂z∂tПродифференцировав первое из уравнений по z, а второе – по t, получаем∂2I∂ 2V=C∂t∂z∂z 22∂V∂2I= −L 2∂z∂t∂tто есть получаем∂2I∂2I∂2I1 ∂2I+LC=0или+= 0.∂z 2∂t 2∂t 2 LC ∂z 2Таким образом получено ни что иное, как волновое уравнение.
При решении такого уравнения получаемдве волны: одна движется в одном направлении, другая в другом – в общем случае направление движениязависит от начальных и граничных условий. Частота передачи волны будет целиком зависеть от значений L иC.Передача электромагнитной волны возможна и в виде светового потока. Для такой передачииспользуются устройство, называемое световодом. Сигнал здесь передается с длиной волны примерно 800нм.Если пустить луч под каким-нибудь углом к границе раздела двух оптических сред, то отношениесинусов углов падения и преломления равно относительному показателю преломления.sin α 1 n 2=sin α 2 n1Увеличивая значениеα1можно добиться того, что свет будет распространяться вдоль линии разделадвух оптических сред.
Дальнейшее увеличение α 1 приводит к явлению полного внутреннего отражения.Данное явление применяется в использовании оптоволоконного кабеля, который проводит световые волны.Как и любой другой кабель, оптоволоконный кабель включает в свой состав центральную жилу и оболочку.Ширина оболочки принципиального значения не имеет, а вот диаметр центральной части далеко непроизволен – он определяет те углы, под которыми в данном кабеле может распространяться свет. Волокнамогут быть одномодовые и многомодовые. Одномодовые волокна имеют диаметр ценральной жилы от 10 до100 микрон. Оболочка делается довольно большой толщины только из-за механических соображений.Функция оболочки в оптоволоконном кабеле заключается в обеспечении полного внутреннего отражения.Принципиальная разница одномодового и многомодового кабеля состоит в том, что в первом из них почтивсе лучи двигаются вдоль одного направления.
В случае многомодового кабеля каждая из модраспространяется со своей фазовой скоростью. Разница фазовых скоростей становится ощутимой, еслипередача информации происходит на довольно большие расстояния (начинается так называемойсмазывание). По этой причине выделились области применения одномодового и многомодовогооптоволоконного кабеля: первый из них имеет смысл применять при передаче данных на большиерасстояния, второй – на короткие расстояния, но с большой скоростью. При необходимости передачибольшого количества информации используется многожильный кабель.Для передачи данных по оптическим проводам используются лазеры, так как они позволяют получитьмонохроматическое, когерентное, направленное излучение. Принцип работы лазера основывается на фактах,постулированных Эйнштейном, в частности на понятии индуцированного излучения.
Атом можетсамопроизвольно перейти из высшего энергетического состояния в низшее с испусканием кванта света. Такоеизлучение называется спонтанным. Если же на атом действует свет, то он может переходить как из высшегосостояния в низшее, так и из низшего в высшее. Первый из этих переходов сопровождается излучением света,которое называется индуцированным (или вынужденным). Второй переход осуществляется с поглощениемкванта света.hω = E 2 − E1 , где ω - частота излучения,dP = ANdt , A – постоянная Эйнштейна, N – число атомов.Второе уравнение получается из рассмотрения среды атомов на отрезке времени dt, вместо одного атома.Постулаты Эйнштейна:Из этих постулатов следует, что система находится не в минимальном энергетическом уровне, а можетпереходить в возбужденное состояние, приобретая и отдавая энергию. Оказалось, что если создать систему, вкоторой число атомов, находящихся на высоком энергетическом уровне, больше, чем число атомов на низкомуровне, то можно будет с помощью такой системы усиливать потоки света.
Такая система называетсяоптическим квантовым генератором или лазером (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).Созданию лазера предшествовало изобретение мазеров – усилителей микроволн, работающих так же напринципе индуцированного излучения. В изготовлении лазера используются молекулы аммиака двухконфигураций: одни имели минимум энергии при действии на них электромагнитного поля, другие –максимум.Полупроводниковый лазер работает так же за счет вывода системы из состояния термодинамическогоравновесия и возникновения индуцированного перехода. Коэффициент усиления лазера составляет порядка1018 , то есть из одного кванта света после усиления получается 1018 квантов, двигающихся в том женаправлении и той же скоростью, что и первоначальный.В завершение темы передачи информации рассмотрим принципы модуляции.
Как известно, волнаописывается своей амплитудой, частотой и фазой. Соответственно существует три вида модуляции:амплитудная, частотная и фазовая.Управляя амплитудой A, получаем амплитудную модуляцию, ω - частотная модуляция, ϕ - частотная.rКроме того, изменяя направление единичного вектора поляризации e можно получить поляризационнуюмодуляцию.Устройство модема (модулятор – демодулятор) позволяет обмениваться информацией между ЭВМ черезаналоговые, низкочастотные каналы (обыкновенные телефонные станции и кабели). Общение междукомпьютерами возможно и с помощью радиосигнала, но для этого необходимы специальные устройства –ретрансляторы для перевода сигнала в цифровой формат.Лекция №14Перспективы ЭВМОдним из новейших направлений разработки ЭВМ стали квантовые компьютеры. Основу этогонаправления заложила квантовая механика, а идея создания квантового компьютера принадлежитФейману.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
