знати:
Звукова система ПК. Склад звукової системи ПК. Принцип роботи та технічні характеристики звукових плат. Напрями вдосконалення звукової системи. Принцип обробки звукової інформації. Специфікація звукових систем.
Методичні вказівки
Звукова система ПК- Комплекс програмно-апаратних засобів, що виконують такі функції:
запис звукових сигналів, що надходять від зовнішніх джерел, наприклад, мікрофона або магнітофона, шляхом перетворення вхідних аналогових звукових сигналів у цифрові та подальшого збереження на жорсткому диску;
відтворення записаних звукових даних за допомогою зовнішньої акустичної системи або головних телефонів (навушників);
відтворення звукових компакт-дисків;
мікшування (змішування) під час запису або відтворення сигналів від кількох джерел;
одночасний запис та відтворення звукових сигналів (режим Full Duplex);
обробка звукових сигналів: редагування, поєднання або поділ фрагментів сигналу, фільтрація, зміна його рівня;
обробка звукового сигналу відповідно до алгоритмів об'ємного (тривимірного - 3D-Sound) звучання;
генерування за допомогою синтезатора звучання музичних інструментів, а також людської мови та інших звуків;
керування роботою зовнішніх електронних музичних інструментів через спеціальний інтерфейс MIDI.
Рисунок 10 - Структура звукової системи ПК
Класична звукова система, як показано на рис. 5.1 містить:
модуль запису та відтворення звуку;
модуль синтезатора;
модуль інтерфейсів;
модуль мікшера;
акустичну систему.
Конструктивні виконання звукової системи ПК зазнають суттєвих змін; зустрічаються материнські плати із встановленим на них Chipset для обробки звуку.
Однак призначення та функції модулів сучасної звукової системи (незалежно від її конструктивного виконання) не змінюються. При розгляді функціональних модулів звукової карти прийнято користуватися термінами "звукова система ПК" або "звукова карта"
Запитання для самоконтролю:
Звукова система ПК;
склад звукової системи ПК;
Принцип роботи та технічні характеристики звукових плат;
Напрями вдосконалення звукової системи;
принцип обробки звукової інформації;
Специфікація звукових систем.
Тема 6.2 Модуль інтерфейсів обробки звукової інформації
Студент повинен:
мати уявлення:
про звукову систему ПК
знати:
склад звукової підсистеми ПК;
принцип роботи модуля запису та відтворення;
принцип роботи модуля синтезатора;
принцип роботи модуля інтерфейсів;
принцип роботи модуля мікшеру;
організацію роботи акустичної системи
Склад звукової системи ПК. Модуль запису та відтворення. Модулі синтезатора. Модуль інтерфейсів. Модуль мікшера. Принцип роботи та технічні характеристики акустичних систем. Програмне забезпечення. Формати звукових файлів. Засоби розпізнавання мови.
Методичні вказівки
Модуль запису та відтворення звукової системиздійснює аналого-цифрове та цифроаналогове перетворення в режимі програмної передачі звукових даних або передачі їх каналами DMA (Direct Memory Access - канал прямого доступу до пам'яті).
Запис звуку - це збереження інформації про коливання звукового тиску під час запису. В даний час для запису та передачі інформації про звук використовуються аналогові та цифрові сигнали. Іншими словами, звуковий сигнал може бути представлений в аналоговій чи цифровій формі.
На вхід звукової карти ПК здебільшого звуковий сигнал подається в аналоговій формі. У зв'язку з тим, що ПК оперує тільки цифровими сигналами, аналоговий сигнал повинен бути перетворений на цифровий. Разом з тим, акустична система, встановлена на виході звукової карти ПК, сприймає тільки аналогові електричні сигнали, тому після обробки сигналу за допомогою ПК необхідно зворотне перетворення цифрового сигналу в аналоговий.
Аналого-цифрове перетворення є перетворення аналогового сигналу в цифровий і складається з наступних основних етапів: дискретизації, квантування і кодування.
^ Попередньо аналоговий звуковий сигнал надходить на аналоговий фільтр, який обмежує смугу частот сигналу.
Дискретизація сигналу полягає у вибірці відліків аналогового сигналу із заданою періодичністю та визначається частотою дискретизації. Причому частота дискретизації повинна бути не меншою за подвійну частоту найвищої гармоніки (частотної складової) вихідного звукового сигналу.
Квантування по амплітуді є вимірювання миттєвих значень амплітуди дискретного за часом сигналу і перетворення його в дискретний за часом і амплітуди. На малюнку 11 показаний процес квантування за рівнем аналогового сигналу, причому миттєві значення амплітуди кодуються 3-розрядними числами.
^
Рисунок 11 - Схема аналого-цифрового перетворення звукового сигналу
Кодування полягає в перетворенні на цифровий код квантованого сигналу. У цьому точність виміру при квантуванні залежить від кількості розрядів кодового слова.
^
Рисунок 12 - Дискретизація за часом та квантування за рівнем аналогового сигналу квантування амплітуди відліку.
Аналого-цифрове перетворення здійснюється спеціальним електронним пристроєм - аналого-цифровим перетворювачем (АЦП), у якому дискретні відліки сигналу перетворюються на послідовність чисел. Отриманий потік цифрових даних, тобто. сигнал, що включає як корисні, так і небажані високочастотні перешкоди, для фільтрації яких отримані цифрові дані пропускаються через цифровий фільтр.
Цифроаналогове перетворення в загальному випадку відбувається в два етапи, як показано на малюнку 12. На першому етапі потоку цифрових даних за допомогою цифроаналогового перетворювача (ЦАП) виділяють відліки сигналу, що йдуть з частотою дискретизації. На другому етапі дискретних відліків шляхом згладжування (інтерполяції) формується безперервний аналоговий сигнал за допомогою фільтра низької частоти, який пригнічує періодичні складові спектра дискретного сигналу.
Для зменшення обсягу цифрових даних, необхідних для подання звукового сигналу із заданою якістю, використовують компресію (стиснення), що полягає у зменшенні кількості відліків та рівнів квантування або числа біт, що припадають на один відлік.
^
Рисунок 13 – Схема цифроаналогового перетворення
Подібні методи кодування звукових даних з використанням спеціальних пристроїв, що кодують, дозволяють скоротити обсяг потоку інформації майже до 20% початкового. Вибір методу кодування під час запису аудіоінформації залежить від набору програм стиснення - кодеків (кодування-декодування), що поставляються разом із програмним забезпеченням звукової карти або входять до складу операційної системи.
Виконуючи функції аналого-цифрового та цифроаналогового перетворень сигналу, модуль запису та відтворення цифрового звуку містить АЦП, ЦАП та блок управління, які зазвичай інтегровані в одну мікросхему, також звану кодеком. Основними характеристиками цього модуля є: частота дискретизації; тип та розрядність АЦП та ЦАП; спосіб кодування аудіоданих; можливість роботи у режимі Full Duplex.
Частота дискретизації визначає максимальну частоту сигналу, що записується або відтворюється. Для запису та відтворення людської мови достатньо 6 - 8 кГц; музики з невисокою якістю – 20 – 25 кГц; для забезпечення високоякісного звучання (аудіокомпакт-диска) частота дискретизації повинна бути не менше ніж 44 кГц. Практично всі звукові карти підтримують запис та відтворення стереофонічного звукового сигналу з частотою дискретизації 44,1 чи 48 кГц.
^ Розрядність АЦП і ЦАП визначає розрядність уявлення цифрового сигналу (8, 16 чи 18 біт).
Full Duplex (повний дуплекс) - режим передачі даних каналом, відповідно до якого звукова система може одночасно приймати (записувати) і передавати (відтворювати) аудіодані. Однак, не всі звукові карти підтримують цей режим у повному обсязі, оскільки не забезпечують високу якість звуку при інтенсивному обміні даними. Такі карти можна використовувати для голосових даних в Internet, наприклад, при проведенні телеконференцій, коли висока якість звуку не потрібна.
Модуль синтезатора
Електромузичний цифровий синтезатор звукової системи дозволяє генерувати практично будь-які звуки, у тому числі звучання реальних музичних інструментів. Принцип дії синтезатора ілюструє малюнок 14.
Синтезування є процес відтворення структури музичного тону (ноти). Звуковий сигнал будь-якого музичного інструменту має кілька часових фаз. На малюнку 15 а показані фази звукового сигналу, що виникає при натисканні клавіші рояля. Для кожного музичного інструменту вигляд сигналу буде своєрідним, але в ньому можна виділити три фази: атаку, підтримку та згасання. Сукупність цих фаз називається амплітудною огинаючою, форма якої залежить від типу музичного інструменту. Тривалість атаки для різних музичних інструментів змінюється від одиниць до кількох десятків або навіть сотень мілісекунд. У фазі, яка називається підтримкою, амплітуда сигналу майже не змінюється, а висота музичного тону формується під час підтримки. Остання фаза, загасання, відповідає ділянка досить швидкого зменшення амплітуди сигналу.
У сучасних синтезаторах звук створюється в такий спосіб. Цифровий пристрій, що використовує один із методів синтезу, генерує так званий сигнал збудження із заданою висотою звуку (ноту), який повинен мати спектральні характеристики, максимально близькі до характеристик музичного інструменту, що імітується у фазі підтримки, як показано на малюнку 15, б. Далі сигнал збудження подається на фільтр, що імітує амплітудно-частотну характеристику реального музичного інструменту. На інший вхід фільтра подається сигнал амплітудної огинаючої того ж інструменту. Далі сукупність сигналів обробляється для одержання спеціальних звукових ефектів, наприклад, луна (реверберація), хорового виконання (хо-рус). Далі проводяться цифроаналогове перетворення та фільтрація сигналу за допомогою фільтра низьких частот (ФНЧ).
Рисунок 15 – Принцип дії сучасного синтезатора: а – фази звукового сигналу; 6 - схема синтезатора
Основні характеристики модуля синтезатора:
метод синтезу звуку;
обсяг пам'яті;
можливість апаратної обробки сигналу до створення звукових ефектів;
поліфонія - максимальна кількість одночасно відтворюваних елементів звуків.
Метод синтезу на основі частотної модуляції (Frequency Modulation Synthesis – FM-синтез) передбачає використання для генерації голосу музичного інструменту як мінімум двох генераторів сигналів складної форми. Генератор несучої частоти формує сигнал основного тону, частотно-модульований сигналом додаткових гармонік, обертонів, що визначають тембр звучання конкретного інструменту. Генератор огинаючої керує амплітудою результуючого сигналу. FM-генератор забезпечує прийнятну якість звуку, відрізняється невисокою вартістю, але не реалізує звукових ефектів. У зв'язку з цим звукові карти, які використовують цей метод, не рекомендуються відповідно до стандарту PC99.
Синтез звуку на основі таблиці хвиль (Wave Table Synthesis - WT-синтез) виробляється шляхом використання попередньо оцифрованих зразків звучання реальних музичних інструментів та інших звуків, що зберігаються у спеціальній ROM, виконаній у вигляді мікросхеми пам'яті або інтегрованої в мікросхему WT-генератора. WT-синтезатор забезпечує генерацію звуку із високою якістю. Цей метод синтезу реалізовано у сучасних звукових картах.
^ Об'єм пам'яті на звукових картах із WT-синтезатором може збільшуватися за рахунок встановлення додаткових елементів пам'яті (ROM) для зберігання банків з інструментами.
Звукові ефекти формуються за допомогою спеціального ефекту процесора, який може бути або самостійним елементом (мікросхемою), або інтегруватися до складу WT-синтезатора. Для переважної більшості карток з WT-синтезом ефекти реверберації та хорусу стали стандартними. Синтез звуку на основі фізичного моделювання передбачає використання математичних моделей звукоутворення реальних музичних інструментів для генерації в цифровому вигляді та подальшого перетворення в звуковий сигнал за допомогою ЦАП. Звукові карти, що використовують метод фізичного моделювання, поки не набули широкого поширення, оскільки для їх роботи потрібен потужний ПК.
Модуль інтерфейсівзабезпечує обмін даними між звуковою системою та іншими зовнішніми та внутрішніми пристроями.
Інтерфейс PCI забезпечує широку смугу пропускання (наприклад, версія 2.1 – понад 260 Мбіт/с), що дозволяє передавати потоки звукових даних паралельно. Використання шини PCI дозволяє підвищити якість звуку, забезпечивши відношення сигнал/шум понад 90 дБ. Крім того, шина PCI забезпечує можливість кооперативної обробки звукових даних, коли завдання обробки та передачі даних розподіляються між звуковою системою та CPU.
MIDI (Musical Instrument Digital Interface - цифровий інтерфейс музичних інструментів) регламентується спеціальним стандартом, що містить специфікації на апаратний інтерфейс: типи каналів, кабелі, порти, за допомогою яких MIDI-пристрої підключаються один до одного, а також порядок обміну даними - протоколу обміну інформацією між MIDI-пристроями. Зокрема, за допомогою MIDI-команд можна керувати світлотехнічною апаратурою, відеообладнанням у процесі виступу музичного гурту на сцені. Пристрої з MIDI-інтерфейсом з'єднуються послідовно, утворюючи своєрідну MIDI-мережу, яка включає контролер - керуючий пристрій, як якого може бути використаний як ПК, так і музичний клавішний синтезатор, а також ведені пристрої (приймачі), що передають інформацію в контролер за його запит. Сумарна довжина MIDI-ланцюжка не обмежена, але максимальна довжина кабелю між двома MIDI-пристроями не повинна перевищувати 15 метрів.
Підключення ПК до MIDI-мережі здійснюється за допомогою спеціального MIDI-адаптера, який має три MIDI-порти: введення, виведення та наскрізної передачі даних, а також два роз'єми для підключення джойстиків.
^ До складу звукової карти входить інтерфейс для підключення приводів CD-ROM
Модуль мікшера
Модуль мікшера звукової карти виконує:
комутацію (підключення/відключення) джерел та приймачів звукових сигналів, а також регулювання їх рівня;
мікшування (змішування) кількох звукових сигналів та регулювання рівня результуючого сигналу.
число сигналів, що мікшуються на каналі відтворення;
регулювання рівня сигналу в кожному каналі, що мікшується;
регулювання рівня сумарного сигналу;
вихідна потужність підсилювача;
наявність роз'ємів для підключення зовнішніх та внутрішніх
приймачів/джерел звукових сигналів.
Програмне керування мікшером здійснюється або засобами Windows, або за допомогою програми-мікшера, що постачається в комплекті із програмним забезпеченням звукової карти.
Сумісність звукової системи з одним із стандартів звукових карт означає, що звукова система забезпечуватиме якісне відтворення звукових сигналів. Проблеми сумісності є особливо важливими для DOS-додатків. Кожне містить перелік звукових карт, працювати з якими DOS-додаток орієнтовано.
Стандарт Sound Blaster підтримує програми у вигляді ігор для DOS, в яких звуковий супровід запрограмований з орієнтацією на звукові карти сімейства Sound Blaster.
^ Стандарт Windows Sound System (WSS) фірми Microsoft включає звукову карту та пакет програм, орієнтований в основному на бізнес-додатки.
Акустична система (АС)безпосередньо перетворює звуковий електричний сигнал в акустичні коливання і є останньою ланкою звуковідтворювального тракту. До складу АС, як правило, входять кілька звукових стовпчиків, кожна з яких може мати один або кілька динаміків. Кількість колонок в АС залежить від числа компонентів, що становлять звуковий сигнал та утворюють окремі звукові канали.
Як правило, принцип дії та внутрішній пристрій звукових колонок побутового призначення та використовуваних у технічних засобах інформатизації у складі акустичної системи PC практично не різняться.
В основному АС для ПК складається із двох звукових колонок, які забезпечують відтворення стереофонічного сигналу. Зазвичай, кожна колонка в АС для ПК має один динамік, однак у дорогих моделях використовуються два: для високих і низьких частот. При цьому сучасні моделі акустичних систем дозволяють відтворювати звук практично у всьому частотному діапазоні, що чується, завдяки застосуванню спеціальної конструкції корпусу колонок або гучномовців.
Для відтворення низьких і наднизьких частот з високою якістю в АС, крім двох колонок, використовується третій звуковий агрегат - сабвуфер (Subwoofer), що встановлюється під робочим столом. Така трикомпонентна АС для ПК складається з двох так званих сателітних колонок, що відтворюють середні та високі частоти (приблизно від 150 Гц до 20 кГц), та сабвуфера, що відтворює частоти нижче 150 Гц.
Відмінна риса АС для ПК - можливість наявності власного вбудованого підсилювача потужності. АС із вбудованим підсилювачем називається активною. Пасивна АС підсилювача немає.
Головна перевага активної АС полягає у можливості підключення до лінійного виходу звукової карти. Живлення активної АС здійснюється або від батарей (акумуляторів) або від електричної мережі через спеціальний адаптер, виконаний у вигляді окремого зовнішнього блоку або модуля живлення, що встановлюється в корпус однієї з колонок.
Вихідна потужність акустичних систем для ПК може змінюватися в широкому діапазоні та залежить від технічних характеристик підсилювача та динаміків. Якщо система призначена для озвучування комп'ютерних ігор, достатньо потужності 15-20 Вт на колонку для приміщення середніх розмірів. При необхідності забезпечення гарної чутності під час лекції або презентації у великій аудиторії можна використовувати одну АС, що має потужність до 30 Вт на канал. Зі збільшенням потужності АС збільшуються її габаритні розміри та підвищується вартість.
^ Основні характеристики АС: смуга частот, що відтворюються, чутливість, коефіцієнт гармонік, потужність.
Смуга відтворюваних частот (FrequencyResponse) - це амплітудно-частотна залежність звукового тиску, або залежність звукового тиску (сили звуку) від частоти змінної напруги, що підводиться до котушки динаміка. Смуга частот, сприйманих вухом людини, перебуває у діапазоні від 20 до 20 000 Гц. Колонки, зазвичай, мають діапазон, обмежений області низьких частот 40 - 60 Гц. Вирішити проблему відтворення низьких частот дозволяє використання сабвуфера.
Чутливість звукової колонки (Sensitivity) характеризується звуковим тиском, який вона створює з відривом 1 м під час подачі її вхід електричного сигналу потужністю 1 Вт. Відповідно до вимог стандартів чутливість визначається як середній звуковий тиск у певній смузі частот.
Що значення цієї характеристики, то краще АС передає динамічний діапазон музичної програми. Різниця між "тихими" і "найгучнішими" звуками сучасних фонограм 90 - 95 дБ і більше. АС з високою чутливістю досить добре відтворюють як тихі, і гучні звуки.
Коефіцієнт гармонік (Total Harmonic Distortion – THD) оцінює нелінійні спотворення, пов'язані з появою у вихідному сигналі нових спектральних складових. Коефіцієнт гармонік нормується у кількох діапазонах частот. Наприклад, для високоякісних АС класу Hi-Fi цей коефіцієнт не повинен перевищувати: 1,5% у діапазоні частот 250 – 1000 Гц; 1,5 % у діапазоні частот 1000 – 2000 Гц та 1,0 % у діапазоні частот 2000 – 6300 Гц. Чим менше значення коефіцієнта гармонік, тим якісніше АС.
Електрична потужність (Power Handling), яку витримує АС є однією з основних характеристик. Однак немає прямого взаємозв'язку між потужністю та якістю відтворення звуку. Максимальний звуковий тиск залежить швидше від чутливості, а потужність АС- в основному визначає її надійність.
Часто на упаковці АС для ПК вказують значення пікової потужності акустичної системи, яка завжди відображає реальну потужність системи, оскільки може перевищувати номінальну вдесятеро. Внаслідок істотної різниці фізичних процесів, що відбуваються при випробуваннях АС, значення електричних потужностей можуть відрізнятися у кілька разів. Для порівняння потужності різних АС необхідно знати, яку саме потужність вказує виробник продукції та якими методами випробувань вона визначена.
Деякі моделі колонок компанії Microsoft підключаються не до звукової карти, а до USB-порту. В цьому випадку звук надходить на колонки в цифровому вигляді, а його декодування роблять невеликий Chipset, встановлений у колонках.
Запитання для самоконтролю:
склад звукової підсистеми ПК;
Модуль запису та відтворення;
Модуля синтезатора;
Модуль інтерфейсів;
модуль мікшера;
Принцип роботи та технічні характеристики акустичних систем. Програмне забезпечення;
формати звукових файлів;
Засоби розпізнавання мови.
Практична робота 8. Звукова система ПК
Студент повинен:
мати уявлення:
про звукову систему ПК
знати:
принципи опрацювання звукової інформації;
склад звукової підсистеми ПК;
основні характеристики звукових плат
вміти:
підключати та налаштовувати звукові підсистеми ПК;
робити запис звукових файлів.
Розділ 7. Пристрої виведення інформації на друк
Тема 7.1 Принтер
Студент повинен:
мати уявлення:
про пристрої виведення інформації на друк
знати:
принцип роботи пристроїв виведення інформації на друк матричного принтера. Основні вузли та особливості експлуатації, технічні характеристики;
принцип роботи пристроїв виведення інформації на друк струменевого принтера Основні вузли та особливості експлуатації, технічні характеристики;
принцип роботи пристроїв виведення інформації на друк лазерного принтера. Основні вузли та особливості експлуатації, технічні характеристики.
Загальні характеристики пристроїв друкування. Класифікація друкувальних пристроїв. Принтери ударного типу: принцип дії, механічні вузли, особливості роботи, технічні характеристики, правила експлуатації. Основні моделі.
^ Струменеві принтери: принцип дії, механічні вузли, особливості роботи, технічні характеристики, правила експлуатації. Основні моделі.
Лазерні принтери: принцип дії, механічні вузли, особливості роботи, технічні характеристики, правила експлуатації. Основні моделі.
Методичні вказівки
Принтери- пристрої виведення даних з ЕОМ, що перетворюють інформаційні ASCII-коди у відповідні ним графічні символи та фіксують ці символи на папері.
Класифікацію принтерів можна виконати за цілим рядом характеристик:
способу формування символів (знакодрукарські та знак про синтезуючі);
кольоровості (чорно-білі та кольорові);
способу формування рядків (послідовні та паралельні);
способу друку (посимвольні, рядкові та посторінкові)
швидкість друку;
роздільної здатності.
При роботі в текстовому режиміПринтер приймає від комп'ютера коди символів, які слід роздрукувати зі знака генератора самого принтера. Багато виробників обладнають свої принтери великою кількістю вбудованих шрифтів. Ці шрифти записані в ROM принтера та зчитуються лише звідти.
Для друку текстової інформації існують режими друку, що забезпечують різну якість:
чорновий друк (Draft);
друкарська якість друку (NLQ – Near Letter Quality);
якість друку, близька до друкарського (LQ – Letter Quality);
високоякісний режим (SQL – Super Letter Quality).
За способом нанесення зображення на папір принтери поділяються на принтери ударної дії, струменеві, фотоелектронні та термічні.
Звукова система ПК як звуковий карти виникла 1989 р., значно розширивши можливості ПК як технічного засобу інформатизації.
Звукова система ПК -комплекс програмно-апаратних засобів, що виконують такі функції:
запис звукових сигналів, що надходять від зовнішніх джерел, наприклад, мікрофона або магнітофона, шляхом перетворення вхідних аналогових звукових сигналів у цифрові та подальшого збереження на жорсткому диску;
відтворення записаних звукових даних за допомогою зовнішньої акустичної системи або головних телефонів (навушників);
відтворення звукових компакт-дисків;
мікшування (змішування) під час запису або відтворення сигналів від кількох джерел;
одночасний запис та відтворення звукових сигналів (режим Full Duplex);
обробка звукових сигналів: редагування, поєднання або поділ фрагментів сигналу, фільтрація, зміна його рівня;
обробка звукового сигналу відповідно до алгоритмів об'ємного (тривимірного - 3 D- Sound) звучання;
генерування за допомогою синтезатора звучання музичних інструментів, а також людської мови та інших звуків;
керування роботою зовнішніх електронних музичних інструментів через спеціальний інтерфейс MIDI.
Звукова система ПК конструктивно є звуковими картами, або встановлюються в слот материнської плати, або інтегровані на материнську плату або карту розширення іншої підсистеми ПК. Окремі функціональні модулі звукової системи можуть виконуватися у вигляді дочірніх плат, які встановлюються у відповідні роз'єми звукової карти.
Класична звукова система, як показано на рис. 5.1 містить:
Модуль запису та відтворення звуку;
модуль синтезатора;
модуль інтерфейсів;
модуль мікшера;
акустичну систему.
Перші чотири модулі, як правило, встановлюються на звуковій карті. Існують звукові карти без модуля синтезатора або модуля запису/відтворення цифрового звуку. Кожен із модулів може бути виконаний або у вигляді окремої мікросхеми, або входити до складу багатофункціональної мікросхеми. Таким чином, Chipset звукова система може містити як кілька, так і одну мікросхему.
Конструктивні виконання звукової системи ПК зазнають суттєвих змін; зустрічаються материнські плати із встановленим на них Chipset для обробки звуку.
Однак призначення та функції модулів сучасної звукової системи (незалежно від її конструктивного виконання) не змінюються. При розгляді функціональних модулів звукової карти прийнято скористатися термінами «звукова система ПК» або «звукова карта».
2. Модуль запису та відтворення
Модуль запису та відтворення звукової системи здійснює аналого-цифрове та цифроаналогове перетворення в режимі програмної передачі звукових даних або передачі їх каналами DMA (Direct Memory Access канал прямого доступу до пам'яті).
Звук, як відомо, є поздовжніми хвилями, що вільно поширюються в повітрі або іншому середовищі, тому звуковий сигнал безперервно змінюється в часі і в просторі.
Запис звуку - це збереження інформації про коливання звукового тиску під час запису. В даний час для запису та передачі інформації про звук використовуються аналогові та цифрові сигнали. Іншими словами, звуковий сигнал може бути представлений в аналоговій чи цифровій формі.
Якщо при записі звуку користуються мікрофоном, який перетворює безперервний у часі звуковий сигнал безперервний у часі електричний сигнал, отримують звуковий сигнал в аналоговій формі. Оскільки амплітуда звукової хвилі визначає гучність звуку, а її частота - висоту звукового тону, остільки для збереження достовірної інформації про звук напруга електричного сигналу має бути пропорційно до звукового тиску, а його частота повинна відповідати частоті коливань звукового тиску.
На вхід звукової карти ПК здебільшого звуковий сигнал подається в аналоговій формі. У зв'язку з тим, що ПК оперує тільки цифровими сигналами, аналоговий сигнал повинен бути перетворений на цифровий. Разом з тим, акустична система, встановлена на виході звукової карти ПК, сприймає тільки аналогові електричні сигнали, тому після обробки сигналу за допомогою ПК необхідно зворотне перетворення цифрового сигналу в аналоговий.
Аналого-цифрове перетворенняявляє собою перетворення аналогового сигналу в цифровий і складається з наступних основних етапів: дискретизації, квантування та кодування. Схема аналого-цифрового перетворення звукового сигналу представлена рис. 5.2.
Попередньо аналоговий звуковий сигнал надходить на аналоговий фільтр, який обмежує смугу частот сигналу.
Дискретизація сигналу полягає у вибірці відліків аналогового сигналу із заданою періодичністю та визначається частотою дискретизації. Причому частота дискретизації повинна бути не меншою за подвійну частоту найвищої гармоніки (частотної складової) вихідного звукового сигналу. Оскільки людина здатна чути звуки в частотному діапазоні від 20 Гц до 20 кГц, максимальна частота дискретизації вихідного звукового сигналу повинна становити щонайменше 40 кГц, т. е. відліки потрібно проводити 40 000 разів на секунду. У зв'язку з цим у більшості сучасних звукових систем ПК максимальна частота дискретизації звукового сигналу становить 44,1 чи 48 кГц.
Квантування по амплітуді є вимірювання миттєвих значень амплітуди дискретного за часом сигналу і перетворення його в дискретний за часом і амплітуди. На рис. 5.3 показаний процес квантування за рівнем аналогового сигналу, причому миттєві значення амплітуди кодуються 3-розрядними числами.
Аналого-цифрове перетворення здійснюється спеціальним електронним пристроєм. аналого-цифровим перетвореннямтелем(АЦП), у якому дискретні відліки сигналу перетворюються на послідовність чисел. Отриманий потік цифрових даних, тобто. сигнал, що включає як корисні, так і небажані високочастотні перешкоди, для фільтрації яких отримані цифрові дані пропускаються через цифровий фільтр.
Цифроаналогове перетворенняу випадку відбувається у два етапи, як показано на рис. 5.4. На першому етапі із потоку цифрових даних за допомогою цифроаналогового перетворювача (ЦАП) виділяють відліки сигналу, що йдуть з частотою дискретизації. На другому етапі дискретних відліків шляхом згладжування (інтерполяції) формується безперервний аналоговий сигнал за допомогою фільтра низької частоти, який пригнічує періодичні складові спектра дискретного сигналу.
Для запису та зберігання звукового сигналу у цифровій формі потрібен великий об'єм дискового простору. Наприклад, звуковий стереофонічний сигнал тривалістю 60 с, оцифрований з частотою дискретизації 44,1 кГц при 16-розрядному квантуванні для зберігання вимагає на вінчестері близько 10 Мбайт.
Для зменшення обсягу цифрових даних, необхідних для подання звукового сигналу із заданою якістю, використовують компресію (стиснення), що полягає в зменшенні (Кількості відліків та рівнів квантування або числа біт, при- I пестяться на один відлік.
Подібні методи кодування звукових даних з використанням спеціальних пристроїв, що кодують, дозволяють скоротити обсяг потоку інформації майже до 20% початкового. Вибір методу кодування під час запису аудіоінформації залежить від набору програм стиснення - кодеків (кодування-декодування), що поставляються разом із програмним забезпеченням звукової карти або входять до складу операційної системи.
Виконуючи функції аналого-цифрового та цифроаналогового перетворень сигналу, модуль запису та відтворення цифрового звуку містить АЦП, ЦАП та блок управління, які зазвичай інтегровані в одну мікросхему, також звану кодеком. Основними характеристиками цього модуля є: частота дискретизації; тип та розрядність АЦП та ЦАП; спосіб кодування аудіоданих; можливість роботи в режимі Full Duplex.
Частота дискретизації визначає максимальну частоту сигналу, що записується або відтворюється. Для запису та відтворення людської мови достатньо 6 - 8 кГц; музики з невисокою якістю – 20 – 25 кГц; для забезпечення високоякісного звучання (аудіокомпакт-диска) частота дискретизації повинна бути не менше ніж 44 кГц. Практично всі звукові карти підтримують запис і відтворення звукового стереофонічного сигналу з частотою дискретизації 44,1 або 48 кГц.
Розрядність АЦП і ЦАП визначає розрядність уявлення цифрового сигналу (8, 16 чи 18 біт). Переважна більшість звукових карток оснащено 16-розрядними АЦП і ЦАП. Такі звукові карти теоретично можна віднести до класу Hi-Fi, які мають забезпечувати якість студійної звучання. Деякі звукові карти оснащуються 20 і навіть 24-розрядними АЦП і ПАП, що істотно підвищує якість запису/відтворення звуку.
Full Duplex (Повний дуплекс) - режим передачі даних каналом, відповідно до якого звукова система може одночасно приймати (записувати) і передавати (відтворювати) аудіодані. Однак, не всі звукові карти підтримують цей режим у повному обсязі, оскільки не забезпечують високу якість звуку при інтенсивному обміні даними. Такі карти можна використовувати для голосових даних в Internet, наприклад, при проведенні телеконференцій, коли висока якість звуку не потрібна.
Аудіосистема ПК- Комплекс пристроїв, що забезпечують відтворення, запис та обробку звуку за допомогою ПК. Включає в себе аудіодаптер (звукова плата), акустичну систему (динаміки з підсилювачем НЧ, навушники), мікрофон.
Аудіоадаптер – дочірня плата, що забезпечує перетворення цифрових даних на аналогові та назад для виведення/введення звуку за допомогою ПК.
Завжди має вихід передачі звукового сигналу на підсилювач і вхід для введення звукового сигналу із зовнішнього джерела в ПК для подальшої обробки. Дорогі аудіоадаптери мають кілька входів та виходів.
Аудіоадаптери відрізняються:
1) розрядністю введення/виведення цифрового звуку
2) способами синтезу звуку
3) наявність/відсутність мікросхем створення додаткових звукових ефектів (перетворення звуку, об'ємний 3D-звук і т.д.)
За допомогою аудіосистеми ПК можна відтворювати звичайні аудіо-CD, але для зберігання звукових даних у ПК розроблені спеціальні ефективніші формати. Найбільш популярними є – MP3 та WMA. Вони дозволяє на одному компакт-диску зберігати в 10-15 разів більший обсяг звукових даних, ніж звичайному аудіо-диску.
Досягти гарного звучання можна тільки при використанні високоякісної комп'ютерної аудіосистеми, але краще передавати звук через цифровий вихід на якісний побутовий підсилювач і колонки.
Стандарти аудіорішень: AC"97і HD AudioЯк інтегроване аудіорішення в системних платах Intel® для настільних ПК використовується або AC"97, або звукова підсистема Intel® High Definition Audio.
AC"97 AC"97 (скорочено від Audio Codec "97) – це стандарт для аудіокодеків, розроблений у лабораторіях Intel (Intel Architecture Labs) у 1997 р. Цей стандарт використовується в основному в системних платах, модемах, звукових картах та корпусах з аудіо рішенням передньої панелі . AC"97 підтримує частоту дискретизації 96 кГц при використанні 20-розрядного стерео роздільної здатності та 48кГц при використанні 20-розрядного стерео для багатоканального запису та відтворення. У 2004 р. AC"97 був замінений технологією Intel® High Definition Audio (HD).
HD AudioЗвукова підсистема Intel® High Definition Audio заснована на специфікації, випущеній корпорацією Intel у 2004 р., що забезпечує відтворення більшої кількості каналів з більш високою якістю звуку, ніж забезпечувалося при використанні інтегрованих аудіо кодеків, як AC97. Апаратні засоби, засновані на HD Audio , підтримують 192 кГц/32-розрядну якість звучання у двоканальному та 96 кГц/32-розрядну в багатоканальному режимах (до 8 каналів).
Microsoft* Windows Vista підтримує лише акустичні периферійні пристрої High Definition (як, наприклад, аудіо-рішення передньої панелі).
Відсутнє виведення звуку в колонках або навушникахВідсутність виведення звуку може бути з кількома проблемами. Проблему відсутності звукового виходу можна вирішити одним із таких способів.
Я хочу присвятити свою статтю технологіям бездротових сенсорних мереж (wireless sensor networks), яка, на мою думку, незаслужено обділена увагою хабра-спільноти. Основною причиною цього я бачу те, що технологія поки що так і не стала масовою і здебільшого цікава скоріше академічним колам. Але я думаю найближчим часом ми побачимо багато продуктів, які так чи інакше засновані на технологіях таких мереж. Я займався дослідженнями сенсорних мереж протягом кількох років, написав кандидатську дисертацію на цю тему та низку статей у російські та зарубіжні журнали. Також мною було розроблено курс з бездротових сенсорних мереж, який я читав у Нижегородському Державному Університеті (посилання на курс не наводжу, якщо Вам цікаво, можу дати посилання в приватному порядку). Маючи досвід роботи в цій галузі, хочу поділитися ним з шановною спільнотою, сподіваюся, Вам буде цікаво.
Загальні відомості
Бездротові сенсорні мережі набули великого розвитку останнім часом. Такі мережі, що складаються з безлічі мініатюрних вузлів, оснащених малопотужним приймачем, мікропроцесором і сенсором, можуть пов'язати воєдино глобальні комп'ютерні мережі та фізичний світ. Концепція бездротових сенсорних мереж привертає увагу багатьох вчених, дослідницьких інститутів та комерційних організацій, що забезпечило великий потік наукових праць на цю тематику. Великий інтерес до вивчення таких систем зумовлений широкими можливостями застосування сенсорних мереж. Бездротові сенсорні мережі, зокрема, можуть використовуватися для передбачення відмови обладнання в аерокосмічних системах та автоматизації будівель. Через свою здатність до самоорганізації, автономності та високої стійкості до відмови такі мережі активно застосовуються в системах безпеки і військових додатках. Успішне застосування бездротових сенсорних мереж у медицині для моніторингу здоров'я пов'язане з розробкою біологічних сенсорів, сумісних з інтегральними схемами сенсорних вузлів. Але найбільшого поширення бездротові сенсорні мережі набули у сфері моніторингу довкілля та живих істот.
Залізо
Через відсутність чіткої стандартизації у сенсорних мережах, існує кілька різних платформ. Всі платформи відповідають основним базовим вимогам до сенсорних мереж: мала споживана потужність, тривалий час роботи, малопотужні приймачі та наявність сенсорів. До основних платформ можна зарахувати MicaZ, TelosB, Intel Mote 2.
MicaZ
- Мікропроцесор: Atmel ATmega128L
- 7.3728 МГц частота
- 128 Кб флеш-пам'яті для програм
- 4 Кб SRAM для даних
- 2 UART’s
- SPI шина
- I2С шина
- Радіо: ChipCon CC2420
- Зовнішня флеш-пам'ять: 512 Кб
- 51-pin додатковий конектор
- вісім 10-бітових аналогових I/O
- 21 цифрових I/O
- Три програмованих LEDs
- JTAG порт
- Живлення від двох батарей AA
- Мікропроцесор: MSP430 F1611
- 8 МГц частота
- 48 Кб флеш-пам'яті для програм
- 10 Кб RAM для даних
- SPI шина
- Потроєний 12-бітовий ADC/DAC
- DMA контролер
- Радіо: ChipCon CC2420
- Зовнішня флеш-пам'ять: 1024 Кб
- 16-pin додатковий конектор
- Три програмованих LEDs
- JTAG порт
- Опційно: Сенсори освітленості, вологості, температури.
- Живлення від двох батарей AA
Intel Mote 2
- 320/416/520 МГц PXA271 XScale мікропроцесор
- 32 Мбайта Флеш-пам'яті
- 32 Мбайта ОЗУ
- Mini-USB інтерфейс
- I-Mote2 конектор для зовнішніх пристроїв (31+21 pin)
- Radio: ChipCon CC2420
- Світлодіодні індикатори
- Живлення від трьох батарей AAA
Кожна платформа по-своєму цікава і має свої особливості. Особисто у мене був досвід роботи з платформами TelosB та Intel Mote 2. Також у нашій лабораторії була розроблена власна платформа, але вона є комерційною і я не можу докладно про неї розповідати.
Найбільш поширеним 3 роки тому було використання чіпсету CC2420 як малопотужний приймач-передавач.
Програмне забезпечення та передача даних
Основним стандартом передачі даних у сенсорних мережах є IEE802.15.4, які спеціально було розроблено для бездротових мереж з малопотужними приймачами.Жодних стандартів у галузі програмного забезпечення в сенсорних мережах немає. Існує кілька сотень різних протоколів обробки та передачі даних, а також систем керування вузлами. Найбільш поширеною операційною системою є система з відкритим кодом – TinyOs (будучи в Стенфордському університеті, особисто познайомився з одним із розробників). Багато розробників (особливо це стосується комерційних систем) пишуть свою систему управління, часто мовою Java.
Програма керування сенсорного вузла під керуванням операційної системи TinyOs пишеться мовою nesC.
Варто відзначити, що через дорожнечу обладнання та складність налаштування сенсорних мереж, широкого поширення набули різні системи моделювання, зокрема система TOSSIM, спеціально розроблена для моделювання роботи вузлів під управлінням TinyOs.
Висновок
Сенсорні мережі набувають все більшого поширення в Росії. Коли я починав ними займатися в 2003 році, кількість людей в Росії, хто був знайомий з даною технологією, можна було перерахувати на пальцях. У тому числі в Росії цим займалася відома Luxsoft Labs.Я працював із сенсорними мережами протягом 6 років і можу багато розповісти про ці технології. Якщо Хабраспільноті буде цікаво і маю можливість, то я із задоволенням напишу серію статей на цю тему. Можу торкнутися таких речей як: реальна робота з платформою TmoteSky, особливості програмування під систему TinyOs мовою nesC, оригінальні результати досліджень, отриманих у нашій лабораторії, враження про 1.5 місяці роботи в Стенфордському університеті, у проекті з сенсорних мереж.
Дякую всім за увагу, із задоволенням відповім на Ваші запитання.
1Проведено аналіз бездротових сенсорних мереж. Для досліджень вибрано програму Omnet++. Реалізовано завдання щодо дослідження модельного ряду бездротових сенсорних мереж та оцінки параметрів їх функціонування. Було вирішено такі завдання: удосконалено модель енергоспоживання у бездротових сенсорних мережах, запропоновано алгоритм роботи даної моделі, що дозволяє зменшити затримки під час передачі пакетів між вузлами. Розроблено комп'ютерну модель у вибраній програмі, доведено, що застосування даної моделі є ефективним і доцільним на практиці. У цій статті було проведено дослідження енергоспоживання вузлів мережі. Саме енергоспоживання є ключовим параметром якості функціонування бездротових сенсорних мереж, тому питання його розрахунку при створенні подібних систем виникає першим. У роботі проведено докладний аналіз енергоспоживання вузлів бездротових сенсорних мереж, а також запропоновано методику розрахунку енергоспоживання кінцевих вузлів. Запропоновано різні підходи щодо зниження енергоспоживання. Головним моментом енергоефективних мережевих операцій буде можливість помістити більше вузлів у режим сну, безпосередньо для збільшення тривалості їх роботи від батареї. Також у сенсорних мережах із застосуванням технології ZigBee можливе стиснення інформації перед її відправкою. Кількість витраченої енергії аналогічно залежатиме від обраної мережевої топології. Доведено, що найменші витрати енергії відбуваються при використанні топологій "зірка" або "кластерне дерево", тому що в цих топологіях координатори безпосередньо підключені до стаціонарної мережі.
бездротова сенсорна мережа
програма Omnet++
затримки під час передачі
енергоспоживання датчиків
пропускна спроможність мережі
збереження енергії
1. Терентьєв М.М. Метод функціонування систем моніторингу параметрів об'єктів із змінною конфігурацією з урахуванням дискретних бездротових сенсорних мереж: дис. … канд. техн. наук: 05.13.15/М.М. Терентьєв. - Москва, 2010. - 154 с.
2. Хуснуллін В.І. Дослідження енергоспоживання вузлів у бездротовій сенсорній мережі / В.І. Хуснуллін, Є.В. Глушак// Тез. доп. на ІІ науковому форумі «Телекомунікації: теорія та технології (ТТТ)» на XVIII Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми техніки та технології телекомунікацій». – Казань, 2017. – Т. 2. – С. 10–13.
3. Іванова І.А. Визначення периметра зони покриття бездротових сенсорних мереж / І.О. Іванова // Промислові АСУ та контролери. – 2010. – № 10. – С. 25–30.
4. Власова В.А. Аналіз енергоциклів вузлів бездротових сенсорних мереж/В.А. Власова, О.М. Зеленін//Східно-Європейський журнал передових технологій. - 2012. - Т. 3, № 9 (57). – С. 13–17.
5. Галкін П.В. Особливості реалізації бездротових сенсорних мереж на основі технології ZigBee: матер. VI міжн. наук.-практ. конф. / П.В. Галкін, Д.В. Карловський // Актуальні проблеми наук. – 2010. – № 31. – С. 7–11.
6. Баскаков С. Оцінка енергоспоживання бездротових вузлів у мережах MeshLogic/С. Баскаков// Бездротові технології. – 2010. – № 1. – С. 28–31.
7. Кірєєв А.О. Розподілена система енергетичного моніторингу бездротових сенсорних мереж / О.О. Кірєєв, А.В. Свєтлов // Вісті ЮФУ. Технічні науки. - 2011. - № 5 (118). - С. 60-65.
8. Daniel Kifetew Shenkutie, Residual Energy Monitoring в бездротових Sensor Networks / School of Information Science, Computer and Electrical Engineering Halmstad University. - 2011. - 84 с.
9. Краморенко О.Г. Зниження енергоспоживання сенсорних мереж з допомогою попередньої компресії даних: матер. до IV Всеукр. наук.-техн. конф. / Є.Г. Краморенко, М.В. Привалів // Інформаційні керуючі системи та комп'ютерний моніторинг 2013. – Донецьк: ДонНТУ, 2013. – С. 364–369.
Нещодавні досягнення у галузі напівпровідникових, мережевих та матеріально-технічних технологій ведуть повсюдне розгортання широкомасштабних бездротових сенсорних мереж (WSN).
Бездротова сенсорна мережа - це розподілена мережа, що самоорганізується, безлічі датчиків (сенсорів) і виконавчих пристроїв, об'єднаних між собою за допомогою радіоканалу. Причому область покриття подібної мережі може становити від кількох метрів до кількох кілометрів за рахунок можливості ретрансляції повідомлень від одного елемента до іншого.
Була запропонована модель бездротової сенсорної мережі. Щоб оцінити ефективність запропонованої моделі, виконаємо моделювання у програмному пакеті OMNeT++. Проведемо аналіз процедури моделювання та результатів моделювання. OMNeT++ - це об'єктно-орієнтований симулятор мережі з дискретною подією.
У симуляції є два типи пакетів: пакети повідомлень, які використовуються вузлами датчиків у мережі для надсилання інформації на вузол приймача, а другий тип – це енергетичний пакет, який використовується для передачі енергетичної інформації у вузол моніторингу. У симуляції кожен вузол періодично обчислює кількість енергії, що споживається, а також прогнозує кількість енергії, яку він споживатиме в майбутньому періоді. Проводиться порівняння кількості енергії, що споживається з прогнозованим: якщо різниця між ними більша, ніж певний поріг, вузол відправить енергетичний пакет в головний вузол мережі (базову станцію). Частина пакетів містить інформацію про прогнозоване споживання енергії у вузлах. Чисельні значення, вибрані для моделювання, можна побачити у таблиці нижче.
Використані чисельні значення
Ці значення використовуються у всіх симуляціях. Щоб продемонструвати ефективність запропонованої моделі прогнозування, реалізовано мережу з сотнею вузлів. Вузли в мережі використовують вибраний протокол маршрутизації, званий MFR для пересилання пакета до вузла приймача. Вузол, що використовує MFR, пересилає дані у вузол у діапазоні передачі.
На рис. 1 вузол S передає його дані в вузол M, оскільки він ближче до приймача D, ніж інші вузли в його діапазон передачі, коли він проектується на лінію, що з'єднує вузол S і приймач D. Вузли датчиків використовують системне повідомлення про місцезнаходження, щоб повідомити їх розташування їх сусідів. Вузли датчиків у мережі заповнюють таблицю маршрутизації місце розташування їх сусідів, і вибирають найближчий як наступний передачі даних.
Уявимо моделювання, виконані з використанням моделювання OMNeT++. Аналізується помилка між залишковою енергією у кожному вузлі та значенням, зареєстрованим у вузлі моніторингу для різного значення порога. Далі досліджується співвідношення між числом пакетів енергії, відправлених на контрольний вузол, і граничним значенням, що використовується. Витрати енергії - це енергія, що витрачається вузлами мережі для зберігання інформації в контрольному вузлі щодо кількості залишкової енергії, що залишилася в їх батареях. Ця енергія мережі залежить від середньої кількості енергетичних пакетів, які надсилаються на вузол моніторингу кожним вузлом датчика. На рис. 2 показано середню кількість пакетів, відправлених на вузол для різних граничних значень, коли E = 100 с.
Після запуску моделювання протягом двох із половиною годин результати моделювання представлені на рис. 2 та 3. Графіки на малюнках показують кількість енергетичних пакетів, відправлених на контрольний вузол для трьох періодів прогнозування (T = 200, T = 300 та T = 400), коли дві різні максимальні швидкості прибуття подій (E = 100 с та E = 50 с). Графіки на двох малюнках продемонстрували, як швидкість приходу збільшується, кількість надісланих енергетичних пакетів зазвичай збільшується. При однаковій швидкості прибуття даних кількість надісланих пакетів енергії збільшується, оскільки поріг помилки передбачення зменшується.
Мал. 2. Середня кількість пакетів, надісланих на вузол, коли E = 100 с
Мал. 3. Середня кількість пакетів, надісланих на вузол, коли E = 50 с
На рис. 4 і 5 показано кількість пакетів енергії, відправлених у разі події, які запускають датчик сенсорних вузлів, вважаються строго періодичними. Використовувані періоди прибуття між подіями P = 50 та P = 100 с. Згідно з графіками, кількість енергетичних пакетів, відправлених із кожного вузла, збільшилася, оскільки час прибуття події зменшився. За той же період відправлена кількість пакетів показала збільшення при зменшенні порога.
Енергія під час побудови карти енергії безпосередньо пов'язані з кількістю витраченої енергії, у результаті він також збільшується, оскільки поріг помилки прогнозування зменшено. Результати виконаних імітацій також показали, що період прогнозування збільшує кількість надісланих пакетів енергії. Це тому, що з більш довгими інтервалами прогнозування споживання енергії вузлів виявляє більш періодичний характер, ніж короткі інтервали прогнозування. Це призводить до точнішого прогнозу споживання енергії, оскільки метод залежить від минулої історії споживання енергії вузлів для прогнозування.
Мал. 4. Середня кількість пакетів, надісланих на вузол, коли P = 100 с
Мал. 5. Середня кількість пакетів, відправлених на вузол, коли P = 50 с
На рис. 6 показано порівняння результатів, отриманих при експоненційному використанні методу, запропонованого в цій роботі, та результати, знайдені в . Порівняння проводиться на основі середньої кількості енергетичних пакетів, надісланих на вузол моніторингу для різних порогових значень.
Як правило, середня кількість енергії пакетів, відправлені на вузол моніторингу, вища для всіх порогових значень, що використовуються, коли використовується експоненційна модель, ніж імовірнісний метод, коли передбачається, що поява подій в навколишньому середовищі рівномірно розподілено. Це з тим, що метод експоненційного усереднення передбачає майбутнє споживання енергії вузлів з урахуванням їхньої історії споживання енергії. Через появу несподіваних подій поведінка деяких вузлів, що споживають енергію, може відхилятися від середньої енергії, яку вони використовували в минулому. Це впливає на очікувані прогнози виснаження енергії в майбутньому вузлів, спонукаючи вузли надсилати більше пакетів.
Мал. 6. Порівняння моделей (середня кількість відправлених пакетів на вузол)
Що кількість пакетів енергії, відправлених на моніторинг вузла, то вище вартість будівництва енергетичної карти. У разі строго періодичної моделі прибуття подій експоненційна модель, що використовується в цій роботі, показує кращу продуктивність, ніж модель, що використовується в коли встановлений поріг на 1% і 3%. Це з постійним споживанням енергії вузлів, що з періодичним характером подій.
На рис. 7 та 8 показано загальну кількість пакетів у мережі для двох різних моделей прибуття пакетів. В обох випадках загальна кількість пакетів енергії в мережі збільшується, коли граничне значення зменшується, а кількість пакетів повідомлень залишається незмінною. Зростання загальної кількості енергетичних пакетів збільшує вартість енергетичної карти, оскільки він безпосередньо пов'язаний з кількістю енергетичних пакетів, надісланих із вузла датчика. Обидві цифри показують загальну кількість пакетів мережі для всього періоду моделювання, коли період прогнозування встановлено в 400 з.
Оцінка моніторингу енергії – це різниця між залишковою енергією кожного вузла та залишковою енергією, зареєстрованою в контрольному вузлі. В результаті оцінки зробимо висновок, що кількість енергії, що перевищує порогове значення, накопичується у вузлі моніторингу і відхилення більше для більш високих порогових значень.
1) головним моментом енергоефективних мережевих операцій буде можливість помістити більше вузлів у сплячий режим безпосередньо для збільшення тривалості їх роботи від батареї. Коли сенсорний вузол перебуває у активному стані, може перейти у режим сну, що дозволяє йому знизити споживання енергії. Сенсорний вузол переходить у режим між сеансами прийому/передачі даних. Усі режими складаються з циклів, а кожен цикл складатиметься з періодів сну та періодів прослуховування. Максимальні витрати енергії будуть на передачі та прийомі даних. А саме, одним із варіантів зниження енергоспоживання буде перехід датчика з активного режиму в режим сну, коли споживання енергії буде мінімальним;
2) у сенсорних мережах із застосуванням технології ZigBee можливе стиснення інформації перед її відправкою. При цьому зменшується час передачі даних, сам пристрій зменшує час свого перебування в ефірі і, природно, витрачає менше енергії на передачу пакета даних. Для безпосереднього стиску необхідні кодеки. Використання кодеків дозволяє зменшити споживання енергії за рахунок стиснення інформації, що передається. Мінімізація обсягу даних, що транслюються, призведе до зменшення енергоспоживання.
3) кількість витраченої енергії аналогічно залежатиме від обраної мережевої топології. Енергія витрачається більше в осередкової топології за рахунок того, що кожен вузол мережі виходить на зв'язок частіше, і, отже, у робочому стані він перебуває більше.
Мал. 7. Загальна кількість пакетів у мережі для P = 50
Мал. 8. Загальна кількість пакетів у мережі для E = 50
Найменші витрати енергії відбуваються при використанні топологій "зірка" або "кластерне дерево", тому що в цих топологіях координатори безпосередньо підключені до стаціонарної мережі.
Бібліографічне посилання
Ачілова І.І., Глушак О.В. ДОСЛІДЖЕННЯ БЕЗПРОВІДНИХ СЕНСОРНИХ МЕРЕЖЕЙ // Міжнародний журнал прикладних та фундаментальних досліджень. - 2018. - № 5-1. - С. 11-17;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12208 (дата звернення: 26.04.2019). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»
