1

ELECTRÒNICA: el motor de les

tecnologies de la informació

Atilà HermsCap d’estudis Enginyeria en Electrònica UB

2

Les TIC – TECNOLOGIES DE LA INFORMACIÓ I LES COMUNICACIONS

Societat fonamentada en producció del coneixement:

quatre factors:

• La producció del coneixement

• La transmissió

• La difusió

• Injecció de coneixement a la societat

a partir de

mitjançant

a través de

la recerca

l’educació/formació

les TIC

3

Les TIC – TECNOLOGIES DE LA INFORMACIÓ I LES COMUNICACIONS

Paper clau en el procés cap a la societat del coneixement

Funcions de les TIC des del punt de vista tècnic

• Digitalitzar la informació: dades, so, imatge

• Emmagatzemar la informació

• Establir canal de comunicació

• Facilitar instruments per processat de la informació

• Automatitzar processos

• Esdevenir un suport per a la recerca, educació i formació

Electrònica

Electrònica

Electrònica i Comunicacions

Electrònica i Informàtica

Electrònica

Informàtica

4

CAMPS EMERGENTS:

• TECNOLOGIA DE LA INFORMACIÓ:• DOMÒTICA• AMBIENT INTELLIGENCE• XARXES DE SENSORS

• ROBÒTICA: • GRANS ROBOTS DE FABRICACIÓ• PETITS ROBOTS MANIPULACIÓ (Medicina,...)

• CONTROL D’ENERGIES RENOVABLES:• SOLAR, EÒLICA,...• ENERGIA DISTRIBUIDA

ELECTRÒNICA

5

Senyal Digital - Senyal Analògic (exemple Àudio)Digitalització. Avantatges (soroll, errors,..)

Suport magnètic: Disc DurSuport Òptic

Discs Òptics CDNomés lectura: CD -CD-ROMGravables 1 cop: CD-RGrav. moltes vegades CD-RW

Vídeo + capacitat encara DVDRegravables DVD-R/ DVD-RAM/-RW/+RWSuperAudio CD

Discs Òptics de doble capa. DVD

Blu-RayHD-DVD

Discs Òptics d’alta definició

Digitalització de ÁudioDigitalització d’imatge

Emmagatzematge d’informacióMemòries de semiconductors

índex

6

Senyal Analògic

0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0

Senyal Digital

+ Soroll

+ Soroll

0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0

Avantatges del senyal digital per gravació - transmissió

1) Transmetem números (no senyals) Immunitat al soroll (robustesa)

2) Possibilitats de tractament matemàtic avançat. Detecció - correcció d’errors

Avanç importantíssim en gravació d’àudio-vídeo

DIGITALITZACIÓ DEL SENYAL

7

Digitalització de TEXT• Cadascun dels caràcters de l’afabet és codificat amb una

notació binària• ASCII (American Standard Code for Information

Interchange)

• Caràcters imprimibles• Lletres (a, b, c ...)• Números (1, 2, 3 ...)• Símbols (#, $, % ...)

• Control de format• Separadors d’informació • Control de transmissió

8

Senyal analògic

Senyal Àudio :Senyal AnalògicMostra de

veu(Micròfon)

So (Àudio) :Conjunt de senyals periòdics i aperiòdics.

Digitalització de SO

9

Música: 2 canals (estèreo) Senyal analògic

10

Representació música:

Octava musical = 12 semitons

Cada semitò separat un interval de freqüència:21/12=1,059 Hz

Conjunt de notes, senyals de múltiples freqüències

Nota = sinusoide pura )tsin(A

Senyal analògic

11

Nota - freqüència Senyal analògic

12

MOSTREIG:Prendre mostres del senyal analògic per digitalitzar (convertir el senyal en números)

Digitalització del senyal

2 qüestions:

1. Freqüència de mostreig Cada quant es mostreja?

2. Nombre de mostres

digitalització

13

1. Freqüència de mostreig Cada quant es mostreja?

1920Teorema de Nyquist: freqüència de mostreig: fmostreig > 2·f

Mostreig a la mateixa freqüència del senyal Mostreig al doble de freqüència que el senyal

digitalització

14

Definició de l’estàndard CD

Límit de freqüència de l’oïda humana: 20 Hz - 20000 Hz(Segons el Tª de Nyquist)

fmostreig > 2·20000 fmostreig = 44100 Hz (Compact Disc)

Senyal digital

15

2. Nombre de mostres

Digitalització del senyal

0V

3V

5V

6V

7V

1V

4V

2V

Senyal analògic

40 00 112 256765 4774

Punts de mostreig

Valors en decimal

Mostres

Nivells deQuantificació

100

101

110

111

111

111

110

101

100

010

001

000

000

000

001

010

100

Senyal PCM(Pulse Coded Modulation)

100101110111111111110101100010001000000000001010100

Valors en binari

Senyal digitalitzat

p.ex.: f=2600Hz; fS=44100Hz

Rang dinàmic (precisió)

Senyal digital

16

+ nivells de quantificació + precissió

+ bits n bits : 2n nivells

8 bits : 256 nivells

10 bits : 1024 nivells

16 bits : 65536 nivells

Qualitat acceptable per àudio98 dB (rang dinàmic)Estàndard del CD

decimal binari

0

1

2

3

4

14

15

0 0 0 0

0 0 0 1

0 0 1 0

0 0 1 1

0 1 0 0

1 1 1 0

1 1 1 1

4 bits = 16 nivells

decimal binari

0

1

2

3

4

5

6

7

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

3 bits = 8 nivells

Senyal digital

17

Estàndard de digitalització del COMPACT DISCdigital àudio. Qualitat HI-FI

f = 44,1 kHz16 bits

Estàndard de digitalització del DVDdigital àudio. Molt alta qualitat

f = 96 kHz24 bits

SONY PHILIPS

FORUMDVD

Senyal digital

18

Digitalització d’IMATGE

Una imatge es pot representar• Com un mapa de bits (bitmap)• Vectorialment

Un bitmap és una matriu de punts on cada punt representauna determinada codificació de color

19

Imatge en Blanc i Negre:Cada punt de la matriu imatge té un valor binari corresponent a la intensitat lluminosa. • 8 bits = 255 nivells de gris (generalment suficient per apreciar be el detall)

Codificació de color L’ull humà percep el color mitjançant tres cèl·lules• Longituds d’ona visibles entre 400 i 700nm• 1920: Commission Internationale de l’Éclairage

(CIE) va realitzar l’experiment de correspondència de color que permeté d’obtenir les funcions de transferència de cada tipus de Cèl·lula

• Així s’obtenen les corbes dels triestímuls X, Y y Z

Digitalització d’imatge

20

Propietats del pla de color:• Cap punt supera la recta x =1 – y• La U invertida exterior correspon als

colors purs• La recta de 380 a 700nm són els tons• violetes• El blanc es troba proper al punt 1/3 1/3

ZYXY

y

ZYX

Xx

A partir dels triestímuls X, Y i Z es pot establir el pla x, y de color

Digitalització d’imatge

A partir de tres punts qualsevol del diagrama, es pot generar qualsevol color contingut en el triangle que els uneix

En televisió de tub s’utilitzen tres colors obtinguts a partir de fosforescènciaVermell (x = 0,640, y= 0,330)Verd (x = 0,290, y = 0,600)Blau (x = 0,150, y= 0,060)

21

R (vermell) G (verd) B (blau)

Digitalització d’imatge

Cada punt (píxel) estarà composat de tres punts RGB, codificats en binari en 8 bits (255 nivells = rang dinàmic suficient)

Imatge sencera

En components

22

ENTRELLAÇAT:• Per a codificar imatges en moviment (TV) es fa un rastreig de

cada fotograma• Per motius històrics, en televisió PAL, la primera línea comença

al centre, fent un rastreig cap a la dreta.• Salta dues línies i fa el rastreig....• La darrera línia també acaba al centre i continua a la segona línia

(que abans s’havia saltat)

Digitalització d’imatgeVídeo

23

EMMAGATZEMATGE D’INFORMACIÓ

24

Memòries de semiconductorsParàmetres característics

Cost €/MbitVelocitat accés - transferènciaPermanencia d’informació:• Memòria volàtil• Memòria permanent

A partir d’aquests paràmetres s’estableix una jerarquia de memòria:

Col·locar a cada lloc la memòria més adient, segons les seves característiques

25

Jerarquia de memòria

Cost decreixent

memòria

26

columna

Línia de bit

Cel·la

fila

C1

M1

C2(cap. Paràsitade la columna)

Amplificador

Memòria RAM

EFECTE MEMÒRIA =

Emmagatzematge de càrrega en un condensador

Memòria semiconductora Memòria volàtil

• No permanent• Altíssima densitat• Cost molt baix

• Memòries d’alta capacitat amb un procés intensiu d’escriptura-lectura

sortidaentrada

27

Memòria de K adreces i M paraulesMida: 2K x M

Entrada/Sortida M bits

AK

AK+1

AK+2

De

cod

ifica

do

r d

e f

iles

AL-1

Amplificadors sensorsDrivers

Decodificador de columnes

Línia de bit

Líni

a de

par

aula

A0

A1

AK-1

Amplificador restaura nivells (rail-to-rail)

Selecciona la paraulaapropiada

2L-K

M·2K

Cel.la de M bits

adre

ces

Estructura Bàsica d’una memòria RAMmemòria

28

m7

m6

m5

m4

m3

m2

m1

m0

A2 A0A1

D3 D2D1

D0

1821

20

OR 8

9AND310AND38AND37AND36AND35AND34AND33AND3

Memòria semiconductorsMemòria permanent

Informació (bit) guardada en la Interconnexió entre línies (interruptor programable)

Memòria FLASH

29

1

0

Línia de bitLínia

de paraula

Interruptor programable fet amb unTransistor MOSFET de porta flotant

Amb càrrega injectada = obertSense càrrega ijectada = tancat

Línia de bitLínia

de paraula

Memòria FLASHTecnologia de “interruptor programable”

PermanentDensitat mitjanaCost mitjà

PropietatsAdient per algunes escriptures-múltiples lectures

memòria

30

SDHC (Secure Digital High Capacity >2GB)

memòria

31

Micro SD (11mm x 15 mm)memòria

32

Dominis mag. amb dues Orientacions diferents

Senyal rebutal lector

MAGNÈTIC:

Material amb dominis magnètics (imants) orientables

Principi físic per la gravació d’informació

Suport magnètic

33

0 0 1 1 00Per nivells

Per canvis de nivell

01

0

1 ó

5 canvis

3 canvis

Augment de la densitat d’informació:

CODIFICACIÓ / MODULACIÓ

Suport magnètic

34

Emmagatzematge MagnèticDisc Dur

35

Informació a Pistes CircularsDominis magnètics en les dues orientacionsCanvis de flux magnètic

Disc Dur

36

Evolució de la densitat superficial

Breakpoint capçals MR Breakpoint capçals GMR

CGR=compound growth rate

Disc Dur

37

• Patterned Media• Nanotecnologia

Disc DurEvolució del Disc Dur

38

El cost $/MB ha disminuït de manera important degut a l'augment de capacitat

El cost $/MB ha disminuït a un ritme (40-50% anual) major que en FLASH

Competitiu en front de FlashPer altes capacitats

Disc Dur

39

Emissor de llumDíode Laser

Fotodetector

Reflexió dèbil Alta Reflectivitat

Senyal rebutAl fotodetector

ÒPTIC:

Canvis de reflexió de la llum

Suport òptic

Principi físic per la gravació d’informació

40

Gravació i LecturaLectura en disc òptic

Informació gravada en canvis en reflexió del senyal

41

Diverses possibilitats :

Informació gravada en canvis en la reflexió del feix de llum incident.

2. Absorció de la llum en una capa amb canvis estructurals

1. Interferència en forats de 1/4 longitud d’ona de la llum incident (/4)

3. Canvis en la polarització de la llum, per camp magnètic (MO)

Suport Òptic

42

1. Interferència 1/4 longitud d’ona de la llum incident (/4)Secció transversal d’un Compact Disc:

Substrat de policarbonat transparent

Capa reflectant d’Alumini

Capa de protecció

etiqueta

Díode Làser IR

Mirall semi-reflectant

Lent d’enfoc

Fotodetector

1,2 cm

Suport Òptic

43

Interferència destructiva

190 nm

Llum reflectida

Llum reflectida en faseInterferència constructiva

Llum reflectida en contrafaseInterferència destructiva L

L/4

Longitud d’ona: L=780 nm

Recorregut total=2.5L

Recorregut total=2L

L

L

Llum incident

Longitud d’ona de la llum incident = 780 nm; /4 =190 nm

Suport Òptic

44

Exemple COMPACT DISC

Forat de CD(0,5 x 2µ)

Petjada dactilarForat de CD(15 µ)

Pols40 µ

Cabell humà75 µ

Fil de cotó150 µ

Lectura: feix de llum làser escombra la pista

Suport Òptic

45

Policarbonat

Capa reflectant

Fotodetector

1.2 mm

Etiqueta

Transparent

Capa d’Or

Díode Laser

Mirall semi-reflectant

Capa protectora

Zones clares Zones fosques

2. Absorció de la llum en una capa

Dos tipus de capes - dues tecnologies

Suport Òptic

46

Capa metàl·licaCapa de gravació

Senyal del Fotodetector

FotodetectorZones sense gravar

Zones fosques

1 Capa de polímer orgànic colorant

Similar a la pel·lícula fotogràfica (velada)CD-R : DVD-R

Lectura: Es llegeix amb llum de baixa intensitat, que en travessar les zones fosques (major absorció de llum) el fotodetector rep un senyal més feble.

Gravació: una zona il·luminada amb un raig de llum de forta intensitat canvia la seva absorció, tornant-se fosc.

Suport Òptic

47

Capa reflectora. AlCrCapa de protecció (ZnS - SiO2)

Capa de TeSbGe. Canvi de fase

Capa de protecció (ZnS - SiO2)

Capa de proteccióEtiqueta

Substrat dePolicarbonat transparent

Canvi d’absorció

Capa de aliatge metàl·lic. Canvi de fase. 1 Capa d’aliatge de “TeSbGe” o “TeSbAgIn”.

Gravació per canvi de fase: Amorfa-Cristal·lina Canvis d’absorció REVERSIBLES

2 Capa de metall reflectant.

CD-RW : DVD-RW

Suport Òptic

48

Punt de fusió

Temperatura

Temps

Refredament ràpid

Fase cristal·linaBaixa absorció

Fase amorfaAlta absorció

de recristal·lització

Intensitat d’escriptura

Intensitat d’esborrat

Intensitat de lectura

AmorfCristal·lí

Esborrat: escalfament a temperatura inferior: Recristal·lització

Gravació: escalfament puntual amb feix làser a temperatura de fusió. Refredament ràpid. Amorfització

Suport Òptic

49

DISCS ÒPTICS PER A LA GRAVACIÓ DIGITAL DE DADES

Aquest ventall de solucions tecnològiquespermet la fabricació de

Qualsevol tipus de dades

ÀUDIOVÍDEO

LLIBRES

INFORMÀTICA

ENCICLOPÈDIES

JOCS

50

CD-A Compact Disc (Música)CD-ROM (Informàtica; Multimèdia)

DISCS DE “NOMÉS LECTURA”

• Lectura per interferència /4.• Làser infraroig 780 nm• Pista espiral des del centre• Informació en forats “estampats” recoberts de capa metàl·lica.•Mida de forat: Amplada: 0,5µm Llargada: 0,83 – 3,56 µm Distància entre forats: 1,6 µm• Codificació: entre dos “uns” hi ha d’haver 2 - 11 “zeros”• Pista espiral des del centre• Velocitat lineal constant 1,2 cm/s

0,5 micres

1,6 mic.

1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1

Discs Òptics

51

Mostreig 44,1 kHzCanals 2 (stereo)Bits 16Nivells 65536Rang dinàmic 98 dBRitme de dades 1.41 Mb/sGruix 1,2 mmDiàmetre 12 cm

74 minuts de música (9º Simfonia de Beethoven)

44.100 mostres (de 2x16 bits) per segon44100×2×16 = 1.411.200 bits/s

Estàndard COMPACT DISC

Detecció i correcció automàtica d’errors.Redundància d’informació. Entrellaçat

1 marc = 192 b + 396 b= 588 bits

Duració del disc?

Discs Òptics

52

INFORMÀTICA ÀUDIODuració 74 minRitme transferència 75 blocs/segonBloc 2048 Bytes 2352 Bytes

Capacitat

Ritme de transferència: 75 blocs/s × 2352 × 8 = 1.411.200 b/s

AUDIO - COMPACT DISC

75 blocs/s × 2352 B/bloc × 74 × 60 seg/min = = 783.216.000 B (747 MB)

INFORMÀTICA CD-ROM; CD-R; CD-RW

75 blocs/s × 2048 B/bloc × 74 × 60 segons = = 681.984.000B (650 MB)

Discs Òptics

53

Fabricació: • Estampació en policarbonat fos• Metal·lització • Capa protectora• Serigrafia d’etiqueta

Imatge de l’estampador per microscopi electrònic

Imatge d’un forat “pit” d’un CD per microscopi electrònic

Música en Forats estampats en un plàstic!

Discs Òptics

54

• Gravació per capa de colorant orgànic (Irreversible)• Velocitat lineal constant• Pista espiral des del centre, ondulada (per al seguiment)

on es graven les dades

CD-R (Totes les aplicacions)

DISC GRAVABLE 1 COP Discs Òptics

55

CD-RW (Totes les aplicacions)

DISC Re-GRAVABLE

• Gravació per Canvi de fase en capa d’aliatge metàl·lic. (Reversible)

• Velocitat lineal constant• Pista espiral des del centre, ondulada (per al seguiment) on

es graven les dades

Capa reflectora. AlCrCapa de protecció (ZnS - SiO2)

Capa de TeSbGe. Canvi de fase

Capa de protecció (ZnS - SiO2)

Capa de proteccióEtiqueta

Substrat dePolicarbonat transparent

Canvi d’absorció

Discs Òptics

56

DVD Digital Video DiscDigital Versatile Disc

Vídeo demanda: Major capacitatMajor ritme de dades

DVD

Policarbonat

Policarbonat

Etiqueta

Adhesiu

Capa reflectant

Capa reflectant

Díode Laser Díode Laser

0.6mm

1.2mm

0.6mm

CD

1 Capa de 1.2 mm 2 Capes enganxades de 0.6 mm

Infraroig Vermell

Tecnologies similars al CD

Comparació d’estructures CD-DVD

Discs Òptics

57

Com s’aconsegueix augment de capacitat?

Làser vermell (més endavant blau) Augment de CAPACITAT

Substrat 2 capes: Permet doble capa / doble cara

Discs Òptics

Disminució de long. d’ona permet llegir motius més petits

quan la long. d’ona s’acosta a la mida del motiu es produeix difracció (soroll)

58

Formats DVD Discs Òptics

59

Formats DVD Discs Òptics

60

Formats DVD Discs Òptics

61

Formats DVD Discs Òptics

62

Formats DVD Discs Òptics

63

Comparació CD - DVD

Guany x 6 CD DVDMàxima capacitat d’emmagatzematge

0.65 GB 4.3 GB - 16 GBMàxima velocitat de transferència

1.4 Mb/s 11 Mb/s

Discs Òptics

64

DVD Gravables

DVD-RW PioneerDVD-RAM Panasonic, HitachiDVD+RW Philips, Sony, HP

DVD-R Gravable 1 cop = CD-RDVD+R

Formats regravables. No hi ha únic estàndard 3 tipusMateixa tecnologia que CD-RW -

Canvi de fase en aliatge metàl·licLleugeres diferències en format = incompatibilitats

Discs Òptics

65

aplicacions

• Compressió d’imatge MPEG2 (300 GB per pel·lícula)• Vídeo MPEG2 d’alta qualitat, duració 135 min/capa.• Accés instantani per temps o capítols• Parada perfecta d’imatge • Menús de selecció• Multi-llenguatge• Àudio: Fins a 8 pistes de só: compressió Dolby-AC3 o MPEG2• Fins a 32 subtítols• Codis regionals • Suport de formats NTSC i PAL• Ha d’acomodar diferents relacions d’aspecte: 4:3 i 16:9• No suporta HDTV , (laser blaus i nous estàndards)• Cost final similar a CD-àudio (10-20€) • Millor qualitat però més problemes de producció.• Possibilitat de Multi-angle

Característiques:

Discs Òptics

66

Regions DVD

Evitar copiat de películes

Discs Òptics

67

• No establert encara l’estàndard• Compressió MPEG2 o DOLBY AC3• Alta qualitat: 96 KHz - 24 bits• Duració:

80 hores àudio baixa qualitat (audio books)30 h. Àudio qualitat CDVàries h. d’àudio de molt alta qualitat

• Crítiques de les discogràfiques sobre la comercialitat del sistema

aplicacions

Característiques:

Discs Òptics

68

aplicacions

Característiques:

Informàtica. Dades en generalAprofita tots els avantatges:

• Gran capacitat• Gran ritme de transmissió de dades

Discs Òptics

69

BLU-RAY

• Satisfer la demanda de capacitat i transferència de la TV d’Alta Definició (HD-TV)

• 1280×720 (720p) o 1920×1080 (1080i o 1080p) SONYPHILIPS

Arriba la HD-TV Discs Òptics

70

Com aconseguir l’increment de densitat

Llegir amb làser color blau

làser vermell (650 nm) DVD

làser blau-violeta (405 nm) BLU-RAY;

HD-DVD

comparació del tamany del feix làser

Discs Òptics

71

Capacitat BLU-RAY vs. DVD

10 20 30 40 50 60 GB

4,7 GB dades

2 hores de pel·lícula de definició estàndardamb alguns extres

27 GB dades

Més de 13 hores de pel·lícula de definició estàndard

Més de 2 hores de pel·lícula d’alta definició

DVD una capa

BLU-RAY una capa

54 GB dades

Més de 20 hores de vídeo estàndard

4,5 hores de vídeo digital HD

BLU-RAY doble capa

Discs Òptics

72

Comparació amb DVDDiscs Òptics

73

HD-DVD

• Alta Definició (HD)• 1280×720 (720p) o 1920×1080 (1080i o 1080p)

ToshibaNEC...

R.I.P.Discs Òptics

7410 20 30 40 50 60 GB

4,7 GB dades

2 hores de pel·lícula de definició estàndardamb alguns extres

20 GB dades

Aprox. 8 hores de pel·lícula de definició estàndard

2 hores de pel·lícula d’alta definició (HD)

DVD una capa

HD-DVD una capa

32 GB dades

14 hores de vídeo estàndard

2,5 hores de vídeo digital HD

HD-DVD doble capa

Capacitat HD-DVD vs. DVDDiscs Òptics

75

Parametres DVD HD DVD BD

Capacitat per capa (GB) 4.7 15 27

Max nombre of capes 2 2 (3?) 2

Max nombre of cares 2 2 1

Gruix del disc (mm) 0.6 + 0.6 0.6 + 0.6 1.1 + 0.1

Longitud d’ona Làser (nm) 650 405 405

Apertura Numèrica 0.60 0.65 0.85

Cal una Caixa No No No

Cal control de Tilt No Yes ?

Cal Capa de protecció No No Yes

Compatibilitat amb lectura DVD OK Més complicada

Formats de compressió MPEG2 MPEG2, VC1, WMV HD, H.256/MPEG4 AVC

MPEG2, VC1, WMV HD, H.256/MPEG4 AVC

Seguretat HDCP (para HD), Identificador de Volum a la capa física, AACS

HDCP, ROM-Marca d’aigua, BD+ Encriptació dinàmica, AACS

Discs Òptics

76

Blu-ray vs. HD-DVD

  Blu-ray HD-DVD

FabricantsSony, Philips, JVC, Pioneer, Panasonic, HP, Dell, Hitachi, Samsung, TDK

Toshiba, NEC, Sanyo, Memory-Tech, the DVD Forum

Estudis de cinema

Columbia TriStar, Disney, MGMNew Line, Paramount, Universal, Warner Bros.

Cost Uns 10€ més que els DVDs Aproximadament 10% més que DVDs

AvantatgesMajor Capacitat de gravació Major interactivitat

Mateixa estructura de disc que els DVDs Implica menors costos de producció

Desavantatges

Més car de produirNo ha estat capaç de suportar codecs més avançats de compressió de vídeo com MPEG-2 i MPEG-4 AVC

Menor Capacitat

Discs Òptics

77

Comparativa de vendes

BLU-RAY

HD-DVD

Discs Òptics