Основи факсимільного зв’язку
ОСНОВИ ФАКСИМІЛЬНОГО ЗВ'ЯЗКУ
Вступ
Факсимільний зв'язок є видом документального зв'язку, призначеного для передачі та відтворення на відстані нерухомих зображень (текст, фотографія та ін.). Зображення, що передається, називається оригіналом. Зображення, отримане в пункті прийому, називається копією (факсиміле).
Оригінал і копія виконуються тим або іншим способом на папері або фотоплівці, тому фізичною основою факсимільного зв'язку поряд з радіотехнікою є оптика, що вивчає природу світла.
Око людини сприймає світлове випромінювання з різною довжиною хвилі (0,4-0,76 мкм), внаслідок чого виникає відчуття того або іншого кольору. Зміна інтенсивності випромінювання при постійній довжині хвилі сприймається як зміна яскравості джерела світла. Світлооптичні системи характеризуються такими параметрами як сила світла, яскравість, освітленість, контраст, коефіцієнт відображення, роздільна здатність тощо.
Роздільна здатність n виражається максимальною кількістю окремих штрихів, які можна розрізнити на 1 мм довжини зображення. Розрізнюють роздільну здатність по горизонталі та вертикалі, які в загальному випадку можуть не збігатися.
Кількість градацій оптичної щільності m – кількість окремих значень оптичної щільності, що розрізнюються на зображенні (характеризує міру почорніння окремих ділянок зображення). Існують системи факсимільного зв'язку з максимально можливим m (у сучасних факсимільних апаратах m = 16, 32, 64), і системи без точного відновлення півтонів (m = 2).
Копія вважається доброю, якщо візуально її не можна відрізнити від оригіналу.
1. Структурна схема системи факсимільного зв'язку
Суть факсимільного методу передачі полягає в тому, що оригінал розбивається на окремі елементарні площинки, які скануються зі швидкістю розгортки 60, 90, 120, 180 або 240 рядків/хв. Сигнал яскравості, пропорційний коефіцієнту відображення елементарних площинок, перетворюється в цифровий вид і передається по каналу зв'язку з використанням певного способу модуляції. На приймальній стороні ці сигнали перетворюються в елементи зображення і відтворюються на приймальному бланку у вигляді копії.
Структурна схема системи факсимільного зв'язку показана на рис.1.
Оригінал сканується світловою плямою необхідних розмірів. Пляма формується світлооптичною системою, яка містить джерело світла і оптичний пристрій.
Переміщення плями поверхнею оригіналу здійснюється розгортувальним пристроєм (РП). Частина світлового потоку, що падає на елементарну площинку оригіналу, відбивається і надходить на фотоелектричний перетворювач (ФП), де перетворюється в електричний відеосигнал. Амплітуда відеосигналу на виході ФП пропорційна величині відбитого світлового потоку. Далі відеосигнал надходить на вхід АЦП, де перетворюється в цифровий код. З виходу АЦП цифровий код надходить на вхід пристрою перетворення сигналів (ППС) – модема, де за допомогою одного з протоколів модуляції спектр цифрового відеосигналу переноситься в область частот каналу зв'язку, що використовується.
На приймальній стороні модульований сигнал з каналу зв'язку послідовно надходить у модем і ЦАП для демодуляції та цифроаналогового перетворення. Далі сигнал надходить у відтворюючий пристрій (ВП), де внаслідок дії РП на бланку відтворюється копія переданого зображення. Процес, зворотний процесу сканування, називається реплікацією. Щоб забезпечити синхронність і синфазність розгорток, на передавальній і приймальній сторонах використовують пристрої синхронізації (ПС).
Сучасні факс-модеми містять всі складові частини факсимільних апаратів (ФА) за винятком аналізуючого пристрою (АП) і синтезуючого пристрою (СП). Вони можуть обмінюватися даними з ФА, при цьому інформація про прийняте зображення, видається на комп'ютер, де програмою передачі факсимільних повідомлень перетворюється в один з графічних форматів.
2. Аналіз зображень у факсимільних апаратах
Для сучасних ФА характерні такі загальні принципи аналізу зображень.
1. Елементарна площинка факсимільного зображення виділяється на поверхні оригіналу світловою плямою високої яскравості, сфокусованою до розмірів, що визначаються заданою роздільною здатністю.
2. Переміщення елементарної площинки по оригіналу здійснюється полінійно: світлова пляма переміщується вздовж бланка, а потім переходить на наступний рядок.
3. Для оптико-електричного перетворення використовується світловий потік, відображений від поверхні паперу в межах площинки.
4. Як ФП застосовуються прилади з внутрішнім або зовнішнім фотоефектом: фотоелементи, фотоелектронні помножувачі, фоторезистори.
Отже, до складу аналізуючого пристрою входять оптична система, РП і ФП.
Оптичні системи факсів – це високоточні пристрої, що складаються з декількох оптичних елементів: лінз, призм, дзеркал, діафрагм, а також освітлювача. Крім традиційних оптичних систем в ФА як провідник світла використовується волоконна оптика.
Як освітлювачі використовуються спеціальні лампи розжарювання з вольфрамовою або танталовою ниткою розміром 2-4 мм.
РП факсів переміщують елементарну площинку по рядках. Розгортка може здійснюватися механічним, електронно-механічним і електронними шляхами. Найпоширенішими є АП, які поєднують функції оптико-електричного перетворення і електронної розгортки в одному приладі. Це пристрої на основі фотодіодних лінійок і лінійок приладів із зарядовим зв'язком (ПЗЗ).
Фотодіодна лінійка є діелектричною лінійкою, на якій змонтований ряд безкорпусних фотодіодів, кількість яких дорівнює кількості елементів розкладання одного рядка (наприклад, 1728). Зображення оригіналу проектується на таку лінійку за допомогою фотооб'єктиву. Розгортка здійснюється електронною схемою, показаною на рис.2.
Катоди фотодіодів увімкнені до дешифратора ДШ, а аноди з’єднуються з виходом підсилювача. Імпульси від тактового генератора Г надходять на вхід лічильника Сч, який керує дешифратором. В результаті на виходах ДШ почергово з'являються позитивні імпульси, які надходять на відповідні фотодіоди лінійки.
Якщо фотодіод, на який надійшов імпульс, освітлений відбитим світлом від оригіналу, то через нього протікає фотострум і створює падіння напруги на резисторі R, яке підсилюється і надходить на пороговий елемент, що дискретизує сигнал за рівнем.
Отже, механічна розгортка по рядку не потрібна. Розгортка по кадрах здійснюється за допомогою крокових двигунів і найпростішого редуктора.
Лінійка ПЗЗ – це спеціальна мікросхема з прозорим вікном у корпусі, на підкладці якої сформована лінійка елементів ПЗЗ, здатних перетворювати енергію світла в електричні заряди і накопичувати останні. По суті лінійка ПЗЗ є регістром зсуву. При подачі на нього тактових імпульсів на виході регістра з'являється амплітудно-модульована імпульсна послідовність, яка містить інформацію про ступінь освітленості елементів лінійки. Вітчизняні лінійки ПЗЗ мають 2048 елементів і забезпечують розгортку рядка довжиною 256 мм з роздільною здатністю 8 лін/мм.
Існують лінійки ПЗЗ, що мають вбудовані схеми зчитування і формування сигналу. Весь АП, за винятком об'єктиву, розміщується в корпусі однієї мікросхеми.
3. Синтез зображень у факсимільних апаратах
Синтез зображення полягає в електрооптичному перетворенні напруги відеосигналу в пропорційну за величиною оптичну густину елементарної площинки та отриманні зображення з окремих площинок.
Існують чотири способи друку: термографічний, з донарною плівкою, струменевий і лазерний. У факсимільних апаратах з термографічним друком застосовують спеціальний папір, в інших моделях зображення роздруковують на звичайному папері.
Синтез зображень на термочутливому папері здійснюється електромеханічною головкою з пересувною голкою, що нагрівається, або термодрукувальною лінійкою.
1. Термодрукувальна лінійка містить точкові елементи, що нагріваються електричним струмом, кількість яких дорівнює кількості елементів рядка розгортки. Вона притискається до термопаперу, що просувається мимо, і нагріває його окремі ділянки, що спричиняє їх потемніння. Розгортка зображення вздовж рядка здійснюється електронною схемою, що перемикає елементи лінійки. В результаті на папері синтезується факсимільне зображення.
Термопапір має тонке, чутливе до нагріву покриття з двома безбарвними окремими компонентами. При локальному нагріванні перший компонент – кольороформувач, змішуючись із заздалегідь знебарвленим барвником (другий компонент), утворює помітну на папері точку. Можливий друк будь-якими кольорами, але практично використовують чорний і синій. Копія не підлягає тривалому зберіганню, оскільки термопапір втрачає свої властивості під дією світла і підвищеної температури.
В 1982 р. з'явився вид термодруку, що дозволяє використовувати звичайний папір, так званий друк з донарною плівкою, або друк методом термоперенесення. За цією технологією використовують особливу плівку з термопластичним фарбувальним шаром, який переноситься на звичайний папір під дією температури (біля 80°С), що створюється термоголовкою. Основна перевага – малі габарити ФА.
2. Струменевий спосіб друку вперше застосувала фірма IBM в 1978 р. У струминних ФА друкувальна головка має декілька десятків сопел-розпилювачів (форсунок), через які при нагріванні або внаслідок п’єзоелектричного ефекту виштовхуються крапельки чорнила.
Струменеві ФА вимогливі до якості паперу. Вартість копії висока, оскільки потрібна періодична заміна чорнила, яке зазвичай об'єднане в одному блоці з друкувальною головкою, так званому картриджі. Існує технологія фірми Olivetti, яка передбачає рознімну конструкцію друкувальної головки зі змінним картриджем: щоб заправити факсимільний апарат, не треба нового картриджу – досить тільки замінити балон з чорнилом.
Струменеві ФА мають істотний недолік. Якщо таким пристроєм довго не користуватися, зображення друкується нерівномірно. Пов'язане це з тим, що чорнила в соплах друкувальної головки підсихають, а прочищення сопел відбувається нерівномірно.
3. Лазерний спосіб друку є удосконаленням електрофотографічного, який вперше застосувала фірма Rank Xerox в 1973 р. Пізніше лідером лазерного способу друку стала фірма Hewlett-Packard. Ідея лазерного способу друку проста. Електростатичний заряд вміщується на фотоприймальний барабан або стрічку. Промінь лазера, інтенсивністю якого керує мікропроцесор, виділяє області, на які не треба наносити барвник, залишаючи зарядженими ділянки, що підлягають забарвленню. Сухий барвник (тонер) утримується на заряджених ділянках і потім переноситься під дією електростатичного заряду на папір, що має протилежний заряд. Щоб закріпити зображення, папір нагрівають – тонер розплавляється і приклеюється до паперу.
Різновидом лазерного способу друку є світлодіодний, коли замість лазера і пристрою розгортки його променя застосовують лінійку світлодіодів (LED – Light Emitting Diode) на всю довжину рядка зображення.
4. Синхронізація і фазування факсимільних апаратів
Синхронізація і фазування пристроїв розгортки факсимільного передавача і приймача є обов'язковими умовами для передачі зображення, невиконання яких приводить до спотворення зображення.
Синхронізація розгортки факсимільного зображення – це встановлення рівності швидкостей розгортки передавального і приймального апаратів.
Фазування – це встановлення однакового положення розгортувальних елементів передавального і приймального апаратів відносно країв бланка в процесі розгортки.
У факсимільному зв'язку застосовують такі способи синхронізації:
1) автономна, коли задавальні генератори двигунів передавача і приймача працюють незалежно, але їх частоти високостабільні та однакові;
2) примусова синхронізація частоти генератора приймача коливаннями генератора, що передаються по спеціальному синхроканалу.
Частіше використовується автономна синхронізація. Оскільки частота генераторів відрізнятиметься від номінального значення, то з часом фазові розузгодження передавача і приймача зростатимуть. Тому потрібне періодичне підстроювання фази.
Інформація про фазу передавального апарату передається у приймач спеціальними сигналами протягом певного часу, явно достатнього для встановлення синфазності, після чого передавальний апарат перемикається на передачу бланка.
Сигнали фазування є періодичною послідовністю імпульсів з рівнем білого поля з частотою, котра чисельно дорівнює швидкості передачі (рядків за секунду) і щілинністю 0,05. Як приклад на рис.3а показана структурна схема пристрою фазування ФА, що має барабанну розгортку.
Після увімкнення двигунів барабани передавального і приймального апаратів обертаються з випадковою фазою і різними частотами обертання: для передавача 400 Гц, а приймача – 380 Гц. За рахунок різниці частот обертання взаємне положення барабанів змінюється доти, поки не встановиться синфазність. Порівняння фаз виконується в приймальному апараті схемою І1. Приймач фазних імпульсів ПФІ виділяє з прийнятих сигналів фазні імпульси і усереднює їх у часі, щоб виключити вплив завад. Спрацювавши, схема І1 вмикає схему електронного ключа, який дозволяє проходження високостабільного керуючого сигналу від синхрогенератора (СГ) для синхронізації генератора (Г). Починаючи з цього моменту, двигуни обох ФА обертатимуться з синхронною частотою 400 Гц (рис.3б).
5. Принципи побудови цифрових факсимільних апаратів
Розглянемо принцип побудови цифрового апарату. ФА, побудований за модульним апаратно-програмним принципом (рис.4), може складатися з таких, пов'язаних загальною шиною блоків: мікропроцесора (МП), ЗДД, ЗТЧ, аналізуючого пристрою (сканера) АП, синтезуючого пристрою (принтера) СП, клавіатури КЛВ, пристрою відображення (дисплея) ПВ, пристрою вводу-виводу (наприклад, НГМД).
Особливістю АП є застосування світлочутливих лінійок на приладах ПЗЗ, які поєднують процеси розгортки і зчитування зображень.
Нині широко використовуються електростатичний і термографічний метод запису. Вони базуються на електронній рядковій розгортці, основним елементом якої є багатоелектродні лінійки, що виготовлюються методами фотолітографії та вакуумного напилювання. При цьому забезпечується необхідна роздільна здатність і швидкодія. Для синтезу зображень може також застосовуватися струменевий і матричний друк.
Клавіатура необхідна для вводу інформації та керування ФА.
Пристрій відображення дозволяє контролювати інформацію, що вводиться, а також відображає стан і режим роботи апаратури.
ЗДД зберігає зчитану з оригіналу інформацію, а також оброблене і закодоване факсимільне повідомлення. У ЗТЧ зберігаються програми керування пристроєм.