Текст книги "100 великих чудес техники"

Автор книги: Сергей Мусский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 41 (всего у книги 42 страниц)

Сканеры

Сканер – это устройство, служащее для ввода в компьютер графических изображений: текстов, рисунков, слайдов, фотографий, чертежей. В большинстве сканеров для преобразования изображения в цифровую форму применяются светочувствительные элементы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Сканеры различаются по механизму сканирования. Существуют системы с подвижным зеркалом, когда оригинал неподвижен, имеющие интегрированную сканирующую головку, и системы с подвижным оригиналодержателем, обладающие механически независимой сканирующей частью.

По способу перемещения считывающей головки и изображения относительно друг друга сканеры подразделяются на ручные, рулонные, планшетные и проекционные. Разновидностью проекционных сканеров являются слайдсканеры, предназначенные для сканирования фотопленок. В высококачественной полиграфии используются барабанные сканеры, в которых в качестве светочувствительного элемента используется фотоэлектронный умножитель.

Принцип работы наиболее распространенного однопроходного планшетного сканера состоит в том, что вдоль сканируемого изображения, расположенного на прозрачном неподвижном стекле, движется сканирующая каретка с источником света. Отраженный свет через оптическую систему сканера, состоящую из объектива и зеркал или призмы, попадает на три расположенных параллельно друг другу фоточувствительных полупроводниковых элемента на основе ПЗС, каждый из которых принимает информацию о компонентах изображения.

Используемый в конструкции того или иного сканера источник света в немалой степени влияет на качество получаемого изображения. В настоящее время используются четыре типа источников света.

Ксеноновые газоразрядные лампы отличает чрезвычайно быстрое время включения, высокая стабильность излучения, небольшие размеры и долгий срок службы. Но, с другой стороны, они не очень эффективны с точки зрения соотношения количества потребляемой энергии и интенсивности светового потока, имеют неидеальный спектр, что может вызвать нарушение точности цветопередачи. Кроме того, они требуют высокого напряжения – порядка 2 кВ.

Люминесцентные лампы с горячим катодом обладают наибольшей эффективностью, очень ровным спектром (которым к тому же можно управлять в определенных пределах) и малым временем разогрева (порядка 3-5 секунд). К отрицательным сторонам можно отнести не очень стабильные характеристики, довольно большие габариты, относительно недолгий срок службы (порядка 1000 часов) и необходимость держать лампу постоянно включенной в процессе работы сканера.

Люминесцентные лампы с холодным катодом имеют очень большой срок службы (от 5 до 10 тысяч часов), низкую рабочую температуру, ровный спектр. Конструкция некоторых моделей ламп с холодным катодом оптимизирована для повышения интенсивности светового потока, что негативно отражается на спектральных характеристиках. За перечисленные достоинства приходится расплачиваться довольно большим временем прогрева от 30 секунд до нескольких минут. У этих ламп также более высокое, чем у ламп с горячим катодом, энергопотребление.

Светодиоды обладают очень малыми габаритами, небольшим энергопотреблением и не требуют времени для прогрева. Во многих случаях используются трехцветные светодиоды, с большой частотой меняющие цвет излучаемого света. Однако светодиоды имеют довольно низкую (по сравнению с лампами) интенсивность светового потока, что снижает скорость сканирования и увеличивает уровень шума на изображении. Весьма неравномерный и ограниченный спектр излучения влечет за собой неизбежное ухудшение цветопередачи.

Для сканирования непрозрачных оригиналов и прозрачных пленок, слайдов и негативов существуют планшетные сканеры со слайд-модулем. Еще три-четыре года назад подобные сканеры были довольно дорогими. Относительно высокие цены были оправданы конструктивной сложностью – ведь для сканирования в проходящем свете использовался дополнительный источник света, расположенный над планшетом в специальной крышке и перемещавшийся синхронно с кареткой.

В настоящее время появилось новое поколение недорогих «планшетников» со слайд-модулями, главной отличительной особенностью которых является использование неподвижного источника света для сканирования прозрачных оригиналов. Подобное решение позволяет отказаться от громоздкой и дорогой механической системы, а следовательно, значительно снизить стоимость и повысить надежность.

Конечно, подобное решение не лишено недостатков – для обеспечения необходимой интенсивности светового потока требуется лампа гораздо большей мощности, чем в случае использования подвижного источника света, что, в свою очередь, значительно увеличивает энергопотребление и количество выделяемого при работе тепла. Еще более сложной задачей является необходимость обеспечения стабильного и равномерного освещения области сканирования. Чтобы выполнить данные требования, сохранив при этом приемлемые цены на подобные изделия, необходимо было прийти к некоторому компромиссу.

Здраво рассудив, что подавляющее большинство сканируемых в домашних условиях прозрачных оригиналов составляют 35-миллиметровые негативы и диапозитивы, производители уменьшили максимальный размер сканируемой в проходящем свете области. Меньшую интенсивность светового потока скомпенсировали увеличенным временем экспозиции, принеся в жертву скорость сканирования.

Сотовая связь

Оказывается, на вопрос, сколько лет телефону, ответить не так-то просто. Судите сами: принцип трансформирования вибрации мембраны от звуковых волн в электрический сигнал, который подлежит в дальнейшем передаче по проводам на расстояние, открыл французский исследователь Шарль Бурсоль в 1854 году. Позже немецкий естествоиспытатель Иоганн Рейс научился передавать по проводам музыкальные звуки. Но передавать речь все не получалось. Наконец, в 1876 году удача улыбнулась американскому изобретателю Александру Беллу, который догадался, что для передачи речи нужен постоянный ток, и разработал примитивный (но работающий) телефонный аппарат.

Выглядел он ужасно: в центре «натюрморта» находился подковообразный магнит с намотанной на него проволокой – никакой эстетики. Оговоримся, что приоритет Белла – это американская версия истории, но некоторые исследователи ее оспаривают, находя в изобретении «русский след». Впрочем, запатентована технология была именно Беллом, да и словом «телефон» мы обязаны ему. С тех пор телефон начал стремительно меняться и внешне и изнутри. В 1920-е годы это был «колокольчик» со съемным громкоговорителем. В 1937 году телефон обзавелся привычной ныне трубкой и вращающимся диском для набора номера. И прожил в таком виде в СССР и в странах Восточной Европы до конца 1980-х. Советская промышленность никогда не выпускала беспроводные телефоны. Мобильность в пределах собственной квартиры решалась установкой длинного, более десяти метров, витого шнура, позволяющего унести телефон в соседнюю комнату.

В начале 1990-х годов появились беспроводные телефоны с кнопочным набором. Постепенно домашние и офисные аппараты, работающие в диапазоне 50 МГц с радиусом действия в несколько десятков метров, были вытеснены 900-мегагерцевыми аппаратами. Последние обеспечивали более высокую помехозащищенность, некоторую защиту от аппаратов-двойников и радиус действия – до нескольких сот метров от базовой станции. Реальный радиус действия сильно зависел от типа помещения, числа бетонных переборок и прочих препятствий. Однако современные 900-мегагерцевые аппараты позволяют комфортно работать в крупном офисе и многоэтажном здании.

По сути, предками сотовой подвижной связи были радиотелефонные удлинители и различные автономные сети радиосвязи. Кстати, широко известная еще в советские времена радиально-зоновая сеть спецсвязи «Алтай», которой пользовалась тогдашняя государственная элита, обеспечивала подвижность в пределах сот внушительного размера. Поскольку абонентов у этой сети было немного, вопрос об экономии радиочастотного ресурса тогда не стоял. Аналогичные системы связи имелись и в других странах, но это была лишь прелюдия к будущей сотовой связи. Внедрение настоящих сотовых сетей началось лишь после того, как была решена проблема экономии спектра радиочастот и найдены способы определения текущего местоположения подвижных абонентов. Это было необходимо для оптимального направления к ним вызовов и обеспечения непрерывности связи при перемещении абонента из одной соты в другую.

Рождение сотовой связи относят к 1971 году. Именно тогда компания «Bell System» представила в Федеральную комиссию США по связи (FCC) описание архитектуры радиотелефонной связи, которая впоследствии и стала называться сотовой. Но путь от идеи до реального проекта занял довольно долгий срок – коммерческие сотовые сети заработали лишь через десять лет.

Разработка в 1970-х годах сотовых систем и их последующее внедрение в 1980-х годах потребовали решения разнообразных и весьма непростых технических проблем. Одной из серьезнейших было создание небольших по размерам и весу переносных абонентских терминалов. На рубеже 1970-х годов даже передовые по техническим решениям автомобильные терминалы весили немногим менее 15 килограммов. И такое же по назначению устройство надо было реализовать в размерах и весе, приемлемых для удержания одной рукой возле уха. Первыми успехами удалось блеснуть специалистам компании «Motorola» (США).

Один из родоначальников новых направлений телекоммуникаций – Мартин Купер, занимавший в начале 1970-х годов пост вице-президента компании «Motorola». Он первым предложил пути кардинального уменьшения размеров радиотелефона. И вот в 1973 году появился первый сравнительно небольшой радиотелефон, который успешно прошел лабораторные испытания. Мартин Купер сделал с него первый звонок коллеге-конкуренту из «Bell Laboratories». Как свидетельствует сам Купер, он произнес следующие слова: «Представь себе, Джоэл, что я звоню тебе с первого в мире сотового телефона. Он у меня в руках, а я иду по нью-йоркской улице».

В середине 1980-х годов имя Мартина Купера было помещено в Зале Славы беспроводной связи.

Первые системы сотовой связи были аналоговыми и обладали одним серьезным недостатком – несовместимостью систем различных производителей. Это существенно ограничивало возможности перемещения абонентов между странами и даже городами, в которых были развернуты разнотипные системы.

Столь привычные современному пользователю аналоговые сотовые сети начали создаваться в начале 1980-х годов во многих странах Европы на базе унифицированного оборудования стандарта MMT-450 и в США – на базе стандарта AMPS. Именно им в ту пору суждено было принять на себя основную часть подвижных абонентов во всем мире.

В результате европейской инициативы в 1982 году возникла группа экспертов подвижной связи GSM (Group Special Mobile) из 17 европейских администраций связи, которая приступила к разработке нового цифрового стандарта сотовой связи. Многолетние усилия GSM увенчались успехом, и сегодня мы имеем еще одну широко распространенную расшифровку аббревиатуры GSM. Global System for Mobile Communications (глобальная система подвижной связи).

Для решения проблем внедрения и эксплуатации нового стандарта в 1987 году была основана европейская рабочая группа MoU – меморандум понимания сущности совместных соглашений по использованию. Это сообщество партнеров насчитывает к настоящему моменту не одну сотню операторов из почти 100 стран мира. Серьезный подход европейцев к созданию нового стандарта привел к успеху – появлению нынешнего лидера европейской сотовой связи – стандарту GSM, работающего в диапазоне 900 МГц.

«В 1988 году были приняты основные документы и началось освоение производства оборудования для сервисных систем этого стандарта, – пишет в журнале «Радио» А. Голышев. – А в 1991 году первые сети GSM уже стали практически эксплуатироваться. До сих пор процесс создания этого стандарта может считаться образцом совместного решения сложных технических и организационных задач большой группой стран. Разработанные в рамках GSM системные и технические решения широко используются в настоящее время при создании перспективных цифровых систем сотовой связи, в том числе и на базе других технологий. В первую очередь, к таким решениям относится построение сетей GSM на принципах интеллектуальных сетей, применение модели открытых систем, внедрение новых эффективных моделей повторного использования частот и т п.».

В стандарте используется многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA), функционирующий в диапазоне частот 890…915 МГц (по линии «вверх») и 935…960 МГц (по линии «вниз») с шириной полосы канала 200 кГц. Помимо каналов трафика присутствуют также каналы управления. Таким образом, в одном физическом радиоканале в GSM реализовано восемь логических каналов связи, каждым из которых может пользоваться отдельный абонент.

Одна базовая станция может поддерживать максимально 16-20 радиоканалов. Максимальная скорость передачи данных в системе – 9,6 Кбит в секунду.

В стандарте GSM применяется так называемая спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом. Для защиты от ошибок в радиоканалах системы GSM используется сверточное и блочное кодирование с перемежением.

Сверточное кодирование борется с одиночными ошибками, перемежение позволяет преобразовать групповые ошибки в одиночные, а блочное кодирование освобождает от оставшихся нескорректированных ошибок. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения абонентских терминалов достигается медленным переключением рабочих частот в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду.

Для высокой степени безопасности передачи сообщений осуществляется их дополнительное шифрование по алгоритму с открытым ключом.

«Функциональный состав системы вполне традиционный, – отмечает А. Голышев, – она состоит из центра коммутации, центра управления и обслуживания, базовых станций и абонентских терминалов.

Центр коммутации обслуживает группу ячеек (сот), в каждой из которых находится базовая станция (отдельные группы базовых станций управляются специализированным контроллером), обеспечивая все виды соединений, в которых нуждается абонентская подвижная станция, а также "эстафетную передачу" при движении абонента (из соты в соту) и переключение радиоканалов при появлении помех или неисправностей. Центр коммутации непрерывно отслеживает местонахождение подвижных станций, сохраняя эту информацию в специальных защищенных базах данных. Это позволяет осуществлять обслуживание (роуминг) пользователей других сетей данного стандарта (принадлежащих другим операторам)…

…Разработчики позаботились о том, чтобы система GSM обладала собственным внутренним механизмом определения местоположения абонентов и маршрутизации вызовов, не зависящим от конкретной телефонной сети, к которой подключена, и соответственно могла бы достаточно просто сделать то же самое в любой части каждой страны. Все это облегчает организацию автоматического роуминга, что ныне широко используется во всем мире».

Для исключения несанкционированного доступа в сеть GSM производится аутентификация абонента. При этом каждый получает на время пользования сетью стандартный модуль подлинности абонента, который содержит международный идентификационный номер, свой индивидуальный ключ и алгоритм аутентификации. Вставив свою карту в терминал, абонент превращает последний в свой индивидуальный аппарат. Чтобы обеспечить дополнительную защиту своего терминала, абонент может установить такой режим работы, при котором необходимо дополнительно набрать на клавиатуре pin-код.

Еще один важный узел сети GSM, отвечающий за ее надежность, – это центр эксплуатации и технического обслуживания (OMC). Он обеспечивает контроль и управление всеми компонентами сети, а также контролирует качество ее работы. В зависимости от характера неисправности OMC позволяет устранить ее автоматически или с помощью экстренного вмешательства технического персонала.

Сеть GSM имеет центр управления, предназначенный для эксплуатации и технического обслуживания всей сети, которая может содержать несколько региональных OMC.

Система предоставляет своим абонентам широкий спектр услуг передачу вызова, оповещение о тарифных расходах, включение в закрытую группу пользователей. Применение в сети различного оборудования позволяет, кроме осуществления голосовой связи, передавать данные, короткие сообщения, сигналы экстренных служб, в том числе аварийной информации, сигналов охраны квартир, бедствия.

«Умный дом»

Как ни удивительно звучит – автоматизировать свое жилище намного дешевле, чем провести евроремонт. Для этого не требуется никаких видимых изменений: не надо отрывать обои, долбить бетонные стены и т п. – все управление происходит по обычным электрическим проводам. Достаточно, чтобы в вашем доме было электричество.

Самый простой набор для автоматизации состоит из устройств трех основных типов. Это контроллер – «мозг» системы, устройство для включения и выключения чего-либо и устройство для плавного включения-выключения света. Каждое устройство включается в обычную розетку. Контроллер так и остается в ней, а к двум другим типам устройств подключаются настольные лампы, кофеварки, чайники, кондиционеры и т п. В случае с устройствами для управления лампами можно использовать и специальные переходники, вкручиваемые в цоколь лампы.

Достаточно на контроллере задать код дома или квартиры, код устройства, команды для включения-выключения и можно наслаждаться жизнью. Для управления настольными лампами также существуют более «интеллектуальные» устройства, запоминающие уровень освещенности в момент выключения и восстанавливающие его при включении.

Одной из распространенных сегодня технологий автоматизации дома является X10. «Естественно, мы можем подключить музыкальный центр или видеомагнитофон к контроллеру X10, – пишет в журнале «Компьютер-пресс» Алексей Федоров, – только проку от этого будет мало, так как отключенный от сети видеомагнитофон сразу же (или через некоторое время) «забудет» о номерах каналов, а музыкальный центр потеряет настройки на радиостанции. Решение этой проблемы кроется в приобретении устройств, которые могут преобразовывать сигналы X10 в инфракрасные сигналы, схожие с теми, которые посылает обычный пульт дистанционного управления. Таким образом, с обычного контроллера можно будет управлять более «чувствительными» устройствами.

Не менее интересна и возможность управления всеми устройствами с единого дистанционного пульта. Например, вместо того чтобы идти на кухню и выключать свет или включать кофеварку, можно просто нажать пару кнопок. Такая возможность, например, есть в наборе IBM Home Director (HD), позволяющем управлять шестью аудио– или видеоустройствами и десятью устройствами, подключенными к контроллеру X10.

Понятно, что можно добавить к нашему базовому набору датчики освещения, движения, миниатюрные видеокамеры, датчик приближения автомобиля (актуально на даче, но не в городе!) и т п. Это позволит узнавать о том, не подслушивают ли соседи по коммуналке под дверью, не стоит ли кто-то у входной двери, не решаясь нажать на кнопку звонка, и т п.».

Новые возможности открываются, если у вас есть персональный компьютер.

С помощью набора HD можно задавать сценарии включения-выключения освещения и различных устройств, находящихся в доме, автоматически следить за изменением освещенности, создавать последовательности команд X10 и записывать их в виде макросов, управлять устройствами непосредственно с компьютера. При этом команды могут либо посылаться компьютером, либо их можно занести в память контроллера и выключить компьютер – HD будет работать автономно.

Функции, предоставляемые HD, аналогичны функциям X10 ActiveHome и позволяют использовать программное обеспечение и аксессуары, разработанные для ActiveHome. Набор дополнительных модулей может быть расширен практически любым X10-совместимым устройством.

Для расширения функциональности HD можно использовать набор, включающий пять дополнительных модулей X10. Одним из наиболее популярных на сегодняшний день является набор Home Vision, состоящий из блока управления и средств для контроля за устройствами. Этот набор позволяет управлять устройствами как с компьютера, так и с экрана телевизора. Все программирование осуществляется с помощью компьютера, который затем может использоваться для мониторинга и управления в реальном времени. Он может запоминать до 256 команд и позволяет передавать их по полученному сигналу. Управление осуществляется как непосредственно командами X10, так и инфракрасными командами. К устройству могут быть подключены различные сенсоры, активизация которых может приводить к возникновению различных программных «событий». Что должно происходить в результате таких «событий» – решать пользователю.

При помощи устройства HouseLink можно создать план квартиры, этажа или всего дома. Надо указать устройства, которыми необходимо управлять, и местоположение контроллеров Программное обеспечение позволяет получать в реальном времени информацию о состоянии того или иного устройства.

Все управление осуществляется инфракрасными сигналами, которые посылаются как с компьютера, так и с самого блока устройства. HouseLink можно задать различные условия: время года, время суток, состояние определенных устройств. Блок сам решает, должна ли быть выполнена та или иная команда. Допустим, при включении домашнего кинотеатра может быть автоматически выбран различный уровень освещенности в зависимости от времени суток.

Можно сказать, классическим устройством для управления домом является ActiveHome Automation Kit. Оно позволяет с помощью компьютера или пульта дистанционного управления выполнять все операции по управлению X10-совместимыми устройствами.

В состав устройства входит пульт дистанционного управления и модуль для управления светом. Основной его модуль подключается к персональному компьютеру через последовательный порт.

Можно управлять X10-совместимыми устройствами с помощью голоса. Для этого используют, например, пакет HomeVoice.

«В нем используются новейшие технологии распознавания речи, с помощью которых можно просто произносить команды, – пишет Алексей Федоров. – Используя HomeVoice MultiRoom Kit, можно управлять целым домом или квартирой, находясь в любой комнате. Работая с HomeVoice, вы выбираете командные фразы и ассоциируете их с действиями, которые необходимо выполнить. Таким действием может быть команда X10, команда, посылаемая по ИК-каналу, макрос и т п. – все зависит от возможностей конкретного контроллера. HomeVoice подтверждает получение команды и даже отвечает на них. Например, в ответ на команду "Я дома" HomeVoice воспроизводит "Добро пожаловать. Как прошел день?" или любую другую фразу по выбору.

HomeVoice обладает возможностью по-разному реагировать на команды, произносимые разными людьми. Это может быть полезно в тех случаях, когда какие-то действия могут быть инициированы, например, только отцом семейства.

Как мы отмечали выше, HomeVoice MultiRoom Kit дает возможность управлять контроллером из любой комнаты. В состав этого пакета входят микшер MixMax, позволяющий сбалансировать сигналы с восьми различных микрофонов, компрессор сигналов и программное обеспечение».

Те, кто не боятся переделок в своем жилище, могут установить вместо обычных комбинированные выключатели. Они объединяют в себе функции обычных выключателей и контроллеров X10. Оригинально выглядят монтируемые в стены контроллеры, отображающие текущее состояние на жидкокристаллических панелях. Вместо компьютерных контроллеров можно использовать и специальные панели с подсветкой, которые успешно выполняют функции «диспетчера».

В самом простом случае для управления аудио– и видеоаппаратурой в виде музыкального центра, набора соединенных блоков или целого домашнего кинотеатра можно использовать передатчики ИК-сигналов. Значительно сложнее система Whole-House Audio/Video. В основе этой системы лежит централизованный источник аудио– и видеосигналов и распределенные по комнатам динамики и экраны. Контроль над такой системой осуществляется как с панели, так и с обычного пульта дистанционного управления. Существует несколько способов реализации подобной системы.

Самый простой из них базируется на едином усилителе/ресивере. Именно он распределяет сигналы по разным комнатам. В каждой комнате находится собственный регулятор громкости. При выборе источника сигнала используется система распределения ИК-сигналов.

Более комплексной является система разделения комнат на «зоны» – в этом случае в каждой зоне могут воспроизводиться сигналы с различных источников. В данном случае можно использовать специальные многозонные усилители.

И, конечно же, всей аудио– и видеоаппаратурой можно управлять и при помощи компьютера. Для этого вполне подходят уже рассмотренные системы, причем оснащенные средствами распознавания речи типа HomeVoice. Все это позволяет, например, каждому члену семьи смотреть и слушать то, что ему хочется и, самое главное, где ему хочется.

Можно сделать так, чтобы любимая музыка сопровождала вас по всему дому. Секрет достаточно прост. Надо лишь правильно расположить датчики движения и настроить их так, чтобы они включали и выключали соответствующий источник.