ICT_Zyuzgin

С целью повышения помехоустойчивости сигнала в Bluetooth используется смена частоты несущей по псевдослучайному закону FHSS, которая осуществляется 1600 раз в секунду. С этой же целью в качестве вида модуляции несущей Bluetooth выбрана GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying).

Благодаря этому обеспечивается устойчивая связь не только в пределах прямой видимости, но и, например, в соседних помещениях, разделенных радиопрозрачной стенкой. В зависимости от характера использования оконечного устройства предусмотрены два режима передачи данных: в синхронном и асинхронном режимах.

Каждое устройство Bluetooth имеет свой неповторимый 48-битовый сетевой адрес, совместимый со стандартом локальных беспроводных сетей IEEE 802. Привлекательно, что протокол стандарта "Голубой зуб" допускает не только режим работы "точка-точка", при котором между собой общаются только два устройства, но и возможность их эксплуатации в сети по типу "точка-многоточие". В этом случае до 8 рядом расположенных устройств Bluetooth образуют первичную сеть, которую называют piconet. Уникальной особенностью этого формата, отличающей его от других беспроводных технологий, является возможность устройств "Голубого зуба" автоматически соединяться друг с другом, как только они оказываются в зоне действия их радиопередатчиков.

Это подключение происходит через протокол Device discovery, в соответствии с которым работа устройства Bluetooth в незнакомом окружении

251

начинается с того, что оно начинает посылать запросы "братьям по разуму", т. е. приборам с таким же типом интерфейса. Если процесс идет нормально, то находящиеся в зоне уверенного приема (в радиусе 10 − 30 м) "голубозубые" аппараты посылают новичку свои позывные, и новое устройство получает список (имена) доступных для связи коллег.

Для простоты изложения мы сознательно упускаем из виду такой важный элемент работы сети Bluetooth, как защита от несанкционированного проникновения (Security mode). Скажем лишь, что имеется 3 режима доступа в систему. В первом, Security mode 1, защита сети снята, и все устройства открыты для общения. В режиме Security mode 3 защита максимальна, и новое соединение с любым новичком, не зарегистрированным в сети, не устанавливается.

4.3.4.3. Сеть устройств с интерфейсом Bluetooth

Будем считать, что вновь прибывший "Голубой зуб" благополучно прошел регистрацию в сети и радушно принят в сетевое сообщество. Теперь он будет числиться в списке его членов, причем на уровне пользователя это может быть не только служебный идентификационный сетевой номер устройства, а просто его имя (например, "принтер").

Если в сети находятся всего 2 устройства, то они, как мы уже говорили, будут напрямую общаться друг с другом согласно протоколу Bluetooth по типу "точка-точка". Если же в сети окажется от 3 до 8 устройств, то они образуют между собой первичную сеть (piconet), при этом главный master (например, компьютер) будет обслуживать несколько подключенных к нему абонентов slave (принтер, модем и т.д.). Один "мастер" может работать не более чем с 7 "слугами". Впрочем, каждый "слуга" тоже может стать "мастером", но только при работе в другой сети piconet, совокупность которых образует сеть верхнего уровня scatternet (см. рис. 4.15).

252

4.3.5. Беспроводной ИК интерфейс (IrDA)

4.3.5.1. Введение

Пользователям современной компьютерной техники часто требуется быстрый и удобный способ передачи информации между разными электронными устройствами (настольным компьютером, ноутбуком, мобильным телефоном, электронным органайзером, цифровым фотоаппаратом, принтером и т.д.). Оптимальным решением является приобретение инфракрасного адаптера. Он позволяет просто и без проводов соединить с компьютером любое устройство, имеющее инфракрасный выход и поддерживающее стандарт IRDA. Именно инфракрасная связь становится новым стандартом эффективной беспроводной передачи информации между двумя электронными устройствами благодаря малому энергопотреблению высокой помехоустойчивости и большой скорости передачи информации.

4.3.5.2.Технические характеристики

•Максимальная скорость передачи данных: связь по IrDA: 4 Mбит/с, соединение USB: 12 Мбит/с;

•несколько скоростей передачи данных в стандарте SIR: 115.2; 57.6; 38.4; 19.2; 9.6 Кб/c;

•совместимость ИК адаптеров с интерфейсами USB и USB 2.0;

•пространственный диапазон связи: 1 − 100 см при угле отклонения до 30 градусов (стандарт IrDa);

•совместимость с Windows 98/2000/Me/Xp;

•не предусматривает создания сети устройств.

На сегодняшний день существуют три стандарта интерфейса IrDA − 1.0, 1.1. и 2.0. Чтобы осуществить корректное сопряжение устройств и персонального компьютера, необходимо обеспечить совместимость стандартов ИК интерфейса.

При подготовке приложения использовались ресурсы1, 3-5, 20.

254

Приложение 4.4. Светочувствительные матрицы

Основным элементом цифровой техники, позволяющим регистрировать изображение, является светочувствительная матрица. Матрица состоит из множества светочувствительных ячеек − пикселей. Каждая ячейка при попадании на нее света вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности светового потока. Поскольку используется информация только о яркости света, картинка получается черно-белой, а чтобы она была цветной, приходится прибегать к разным хитростям. Ячейки покрывают цветными фильтрами − в большинстве матриц каждый пиксель

Рис. 4.16. Схема шаблона Байера − расположение фильтров на ячейках матрицы

покрыт светофильтром (красным, синим или зеленым) в соответствии с известной цветовой схемой RGB (red-green-blue). Эти цвета основные, а все остальные получаются путем их смешения и уменьшения или увеличения их насыщенности.

На матрице фильтры располагаются группами по четыре, так что на два зеленых приходится по одному синему и красному. Так делается потому, что человеческий глаз наиболее чувствителен именно к зеленому цвету. Световые лучи разного спектра имеют разную длину волн, поэтому фильтр пропускает в ячейку лучи лишь своего цвета. Полученная картинка состоит только из

255

пикселей красного, синего и зеленого цвета − именно в таком виде записываются файлы формата RAW (см. приложение 4.7.3). Для записи файлов JPEG и TIFF процессор камеры анализирует цветовые значения соседних ячеек и рассчитывает цвет пикселей. Этот процесс обработки называется цветовой интерполяцией, и он исключительно важен для получения качественных фотографий.

Основных типов матриц два, и они различаются способом считывания информации с сенсора.

4.4.1. ПЗС-матрица

Это светочувствительная матрица цифрового фотоаппарата, выполненная на основе ПЗС (CCD, "Charge-Coupled Device") − "приборов с зарядовой связью". Она состоит из поликремния, отделенного от силиконовой подложки,

Рис. 4.17. Схема матрицы типа ПЗС (CCD)

в которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Положительное напряжение на электродах создает потенциальную яму, куда устремляются электроны из валентной зоны, сгенерированные фотонами. В этой потенциальной яме заряд хранится до момента считывания. Чем интенсивнее световой поток в течение экспозиции, тем больше скапливается электронов в потенциальной яме и тем выше итоговый заряд данного пикселя. Считывание итогового заряда ПЗС состоит в том, чтобы заставить поликремневые затворы, помимо функции

256

электродов, выполнить еще и роль сдвиговых регистров таким образом, чтобы они образовали конвейерную цепочку вдоль одной оси. При этом если учесть, что обычно один пиксель формируется несколькими, например, четырьмя электродами, то попеременная подача на них высокого либо низкого напряжения по принципу n+1 (1-2, 2-3, 3-4 и т. д.) позволит накопленному заряду как бы перетекать по выбранной оси, не теряя своей величины. Это становится возможным благодаря тому, что, изменяя конфигурацию потенциального барьера, мы как бы сдвигаем потенциальную яму с накопленными в ней зарядами. Причем описанный цикл повторяется до тех пор, пока все содержимое выбранных осей не "перетечет" к управляющей логике, преобразующей поступивший заряд в определенный уровень напряжения. Собственно такой способ передачи заряда и дал название ПЗС − приборы с зарядовой связью фотосенсорам (матрицам) данного типа. Далее напряжение через усилитель и АЦП (аналого-цифровой преобразователь) подается уже в цифровом виде в оперативную память (буфер) и процессор камеры, где интерполируется и преобразуется, а затем в каком-либо стандартном формате изображения, например JPEG, поступает в устройство постоянного хранения, например Flash-карту SD. Поскольку в матрицах типа CCD (ПЗС) информация считывается с ячеек последовательно, то обработка файла может занять довольно много времени. Хотя быстродействие таких сенсоров невелико, они относительно дешевы, и к тому же уровень шума на полученных с их помощью снимках меньше.

4.4.2. CMOS-матрицы

КМОП (Комплементарная Структура “Металл-Оксид-Полупроводник”) матрицы получают всё большее распространение. В них внутренний фотоэффект протекает также, как и в ПЗС-матрицах, только преобразование накопленного потенциальной ямой заряда в напряжение происходит непосредственно внутри пикселя. В результате есть возможность считать данные как всей матрицы, так и отдельного столбца, строки и даже элемента; отпадает необходимость во всех регистрах сдвига и управляющих микросхемах

257

и заметно сокращается энергопотребление. Поскольку информация считывается индивидуально с каждой ячейки, то каждый пиксель обозначен координатами, что позволяет использовать матрицу для экспозамера и автофокусировки.

Рис. 4.18. Схема матрицы типа КМОП (CMOS)

Рис. 4.19. Схема трехслойной матрицы

Однако присутствующие в каждом пикселе преобразователь “заряд-напряжение” и “обвязка” − компоненты, предназначенные для считывания напряжения при обработке сигнала, к нему добавляют помехи, именуемые электронным шумом. Причем для каждого элемента матрицы уровень электронного шума разный. Кроме того, "обвязка" размещается вокруг

258

пикселя, что приводит к малой площади светочувствительного элемента даже по сравнению с ПЗС-матрицами с буферизацией строк, поэтому чувствительность КМОП-матриц довольно скромная. В итоге КМОП-сенсоры основного успеха достигли в профессиональных фотоаппаратах и студийных камерах. В данной технике используются матрицы с большими габаритами, благодаря этому площадь светочувствительной области получается больше размеров "обвязки" каждого пикселя, а чувствительность достигает приемлемых значений.

Описанные типы матриц − однослойные, но есть еще и трехслойные (X3 компании Foveon), где каждая ячейка воспринимает одновременно три цвета, различая разноокрашенные цветовые потоки по длине волн (см. рис. 4.19).

Фотодетекторы матрицы могут быть снабжены микролинзами для улучшения цвето- и световосприимчивости матрицы, иметь форму шестиили восьмигранников, быть разного размера, располагаться в несколько слоев и т. д.

При составлении обзора использовались материалы сайтов3, 5, 18.

259