Факсимильной связью называется передача заранее подготовленных и нанесённых на бумагу неподвижных изображений по каналам связи, обеспечивающая визуальное восприятие информации. Термин факсимиле (лат. fag-simile - делай подобное) означает точное воспроизведение копии графического оригинала (рукописи, документа, подписи), например, фотографическим или штриховым способами.

В факсимильной технике используется принцип развёртки, т.е. разложения изображения на отдельные элементарные площадки (растровые элементы) и последовательной во времени передачи электрических сигналов, пропорциональных яркости элементов разложения.

Функциональная схема простейшей факсимильной системы с барабанной развёрткой представлена на рисунке 12.1. Система работает следующим образом. Оригинал с передаваемым изображением закрепляется на развёртывающем барабане 2. Объектив создает на поверхности барабана точечное изображение источника света. Развёртка осуществляется вращением барабана и одновременным поступательным перемещением его вдоль оси. Световое пятно описывает на цилиндрической поверхности барабана винтовую линию. На развёрнутом бланке оригинала эта винтовая линия образует строчный растр. Часть светового потока источника света, отражённого оригиналом, попадает в фотоэлемент. Количество света, попадающего в фотоэлемент, пропорционально средней яркости освещённого элемента. Сигнал, снимаемый с фотоэлемента, усиливается до уровня, достаточного для передачи по каналу связи. При равномерном перемещении светового потока с линейной скоростью V (мм/с) по изображению оригинала, состоящему из чередующихся чёрных и белых линий шириной d (мм), максимальная частота спектра факсимильного сигнала в Гц составит величину

f= V/2d.

1 – анализирующее устройство; 2 – развертывающий барабан; 3 – источник света; 4 – оптическая система; 5 – светочувствительный элемент; 6,14 – устройства синхронизации и фазирования; 7,8 – устройства преобразования сигнала; 9 – канал связи; 10 – синтезирующее устройство; 11 – модулятор с источником света; 12 – оптическая система; 13 – устройство свертки изображения

Рисунок 12.1. Функциональная схема факсимильной системы

В приёмном устройстве принятый сигнал вновь усиливается и модулирует яркость свечения безынерционного источника света 11. Объектив 12 фокусирует на поверхность барабана, на котором закреплена светочувствительная бумага, световое пятно. Яркость этого пятна пропорциональна переданному сигналу, т.е. пропорциональна яркости анализируемого элемента изображения. Развёртывающие барабаны в приёмном и передающем устройствах вращаются синхронно и синфазно. После приёма фотобумага с записанным скрытым изображением обрабатывается обычными фотохимическими методами.

Факсимильная аппаратура, осуществляя передачу неподвижных изображений, всегда обеспечивает точное воспроизведение очертаний различных знаков. При этом воспроизведение всех градаций яркости (полутонов) может быть полным или условным. В последнем случае получаемая копия будет содержать элементы только двух градаций яркости (черное и белое).

Факсимильная аппаратура по назначению классифицируется на пять типов: 1) передача-прием газет в пункты децентрализованного печатания; 2) передача-приём фотофаксимильной информации; 3) передача-приём метеорологических карт; 4) передача-приём факсимильной документальной информации; 5) переприём факсимильной информации, представленной в цифровой форме.

В целях унификации и стандартизации факсимильная аппаратура, работающая по сетям электросвязи общего пользования (предназначена для передачи любой графической информации, кроме ИГП), по рекомендации МСЭ разделена на четыре группы (таблица 12.1). Данные факсимильные аппараты работают по телефонным линиям связи или по каналам передачи данных. На основании сравнения основных параметров современную факсимильную аппаратуру можно охарактеризовать следующим образом.

Таблица 12.1. Параметры факсимильной аппаратуры, классифицированной по группам МСЭ

Наличие в спектре факсимильного сигнала постоянной составляющей и низких частот не позволяет непосредственно передавать его по каналам ТЧ. Перенос спектра частот факсимильного сигнала в область более высоких частот, совпадающую с полосой пропускания канала ТЧ, производится в процессе модуляции. Поэтому в факсимильной аппаратуре первой группы предусматривается передача модулированного сигнала с двумя боковыми полосами частот, а при уменьшении времени передачи до 3 мин допускается передача изображений формата А4 с пониженной разрешающей способностью. Для снижения стоимости факсимильных аппаратов первой группы используются простые технические решения, такие как совмещение передающего и приёмного устройств в одном аппарате, барабанная развёртка, контактная запись на обычную бумагу. В ряде моделей используются ксерографическая запись изображения с помощью гелий-неонового лазера, электротермическая запись на специальную бумагу, автоматическая, бесконтактная запись, наносимая чернильной струёй на рулон обыкновенной бумаги.

В факсимильных аппаратах второй группы для уменьшения времени передачи изображения формата А4 по 3 мин с плотностью не менее 3,85 строк/мм используются сигналы с трёхуровневой амплитудно-фазовой модуляцией (АМ-ФМ) и частично подавленной одной боковой полосой частот.

В факсимильных аппаратах третьей группы используются цифровое копирование разности видеосигналов двух соседних строк и трёхуровневая однополосная амплитудная модуляция (АМ).

Факсимильная аппаратура четвёртой группы представляет собой цифровые приёмо-передающие устройства. Время передачи изображения формата А4 составляет 10-30 с. В качестве анализатора изображения используются ПЗС (приборы с зарядовой связью) линейки, состоящие из 1782 элементов. Для воспроизведения копий применяется электростатический способ записи. Факсимильные аппараты четвёртой группы используются на сетях передачи данных общего пользования, включая сети с коммутацией каналов, с коммутацией пакетов, а также цифровые сети с интеграцией служб (ISDN). Данные факсимильные аппараты могут работать и по телефонным сетям, для чего необходимо применять соответствующие способы модуляции. Независимо от используемой сети электросвязи в факсимильные устройствах имеются средства снижения избыточности информации в передаваемых изображениях.

В современных факсимильных аппаратах широко применяются плоскостные анализирующие устройства со светочувствительными линейными матрицами ПЗС. Анализирующие линейки на основе ПЗС отличаются конструктивной и технологической простотой, долговечностью, стабильностью параметров, надежностью, малыми габаритами. Явление самосканирования в линейной матрице ПЗС в сочетании с фотопреобразованием делает это устройство одним из наиболее перспективных преобразователей изображения в электрический сигнал в строчном направлении. Развёртка по кадру в таком анализирующем устройстве производится механическим перемещением оригинала перпендикулярно развёртке, осуществляемой линейкой ПЗС. Например, линейная матрица ПЗС с числом элементов 1000-2000 позволяет осуществлять электронную развёртку по строке со скоростями от 100 до десятков тысяч строк в минуту. Анализирующие устройства подобного типа называются оптико-электронными.

Рассмотрим пример реализации плоскостной строчной развёртки с использованием линейной фоточувствительной матрицы ПЗС, которая позволяет получить разрешающую способность по строке не менее 8...15 линий /мм (рисунок 12.2). Работу такого устройства во времени можно разделить на два этапа. Сначала отражённый от оригинала световой поток попадает на фоточувствительные элементы, т.е. осуществляется восприятие строки изображения. В этом случае на электроды ПЗС ячеек подаётся потенциал хранения, при котором происходит накопление фотогенерируемых носителей. Затем, по окончании цикла восприятия строки изображения, накопленные электрические заряды от каждой ячейки через канал переноса поступают в аналоговый регистр переноса, имеющий МОП-структуру, на который подаются тактовые импульсы сдвига. Образуемые на МОП-структуре зарядовые пакеты под действием тактовых импульсов сдвига перемешаются на выход, образуя на нагрузке выходного устройства видеосигнал строки изображения, который после обработки поступает в линию связи.

1 – аналоговый регистр сдвига; 2 – выходное устройство; 3 – канал переноса; 4 – светочувствительные ПЗС ячейки

Рисунок 12.2. Устройство плоскостной строчной развертки на ПЗС элементах

Ряд фирм разрабатывает системы лазерного считывания графической информации, основанные на принципе фокусировки луча лазера и его последующего отклонения. Помимо высокой скорости считывания эти устройства имеют высокую разрешающую способность. Реализуется несколько способов считывания с использованием лазерного луча: развертка с помощью спирального зеркала с разрешающей способностью 5-6 точек/мм, развертка с помощью качающегося или вращающегося зеркала, обеспечивающая более высокую разрешающую способность, развертка с использованием акустического отклоняющего устройства, и самая последняя разработка – развертка с помощью вращающейся голографической сетки.

Основные технические показатели записывающих устройств факсимильных аппаратов – разрешающая способность и градационная характеристика. Требования к синтезирующим устройствам противоречивы, так как в факсимильных аппаратах необходимо одновременно обеспечить высокое качество записи, оперативность, простоту конструкции и технического обслуживания.

В современных факсимильных аппаратах применяются два вида записи - закрытый и открытый. При закрытом способе записи принятый электрический сигнал преобразуется в световой, и запись производится на светочувствительную бумагу или плёнку, а затем осуществляется проявление изображения на основе принципов электростатики. Подобный способ называется ксерографией или электрографией. Электростатическое изображение может регистрироваться либо на специальной бумаге, покрытой фотопроводящим слоем, либо на барабане с фотопроводящим покрытием с последующим переносом изображения на обычную бумагу. При открытом способе запись осуществляется на открытой для света бумаге с помощью электрохимических и других реакций, а также с помощью электрохимических устройств чернилами или через копировальную бумагу, В последнем случае принятый сигнал преобразуется в механические колебания.

В факсимильной аппаратуре в основном используются методы электрографии в сочетании с электронной строчной разверткой. При этом применение электрочувствительной, термочувствительной или простой бумаги более перспективно по сравнению с электролитической бумагой. Электротермическая бумага состоит из трёх слоев: нижнего металлизированного, среднего слоя бумаги, смешанного с графитом, и верхнего токопроводящего, с которым соприкасаются записывающие электроды. Преимущество электротермической (электроискровой) бумаги заключается в возможности получения полутоновых и мгновенных изображений, а также малое потребление энергии при записи. Однако она относительно хрупка. Записывающих электродов (ИГЛ), которые группируются вдоль всей линии строчной развёртки в соответствии с требуемым количеством воспроизводимых элементов в строке, хватает максимум на 200 копий. Точечные заряды, соответствующие воспроизводимой яркости документа, формируется на электрической поверхности бумаги рядом электродов печатающей головки. Цепи заряда электрически замыкаются контрэлектродами, которые находятся в плотном контакте с бумажной основой. Видеосигнал подводится непосредственно к контрэлектродам и к записывающим электродам. При наличии сигнала происходит обжигание верхнего, обнажение среднего слоя, смешанного с графитом, и, следовательно, окрашивание поверхности бумаги. При записи обеспечивается разрешающая способность около 4 линий/мм. Основной недостаток данного способа заключается в выделении вредных веществ при записи, поэтому требуется хорошая вентиляция помещения. Металлизированная бумага (с диэлектрической подложкой) имеет чувствительность в 10-20 раз более высокую, чем электротермическая бумага, меньшее электрическое напряжение, необходимое для записи, при этом воспроизводятся более тонкие линии, и обеспечивается больший срок службы записывающего электрода.

Несмотря на хорошую контрастность воспроизводимых изображений и малое потребление энергия при записи, злектрочувствительная бумага является достаточно дорогой. Требуются особые условия, для её хранения.

Термочувствительная бумага, изображение на которую переносится инфракрасным излучением, несмотря на сложность хранения, гораздо дешевле и представляет практический интерес с этой точки зрения. При локальном нагреве чувствительного слоя бумаги он изменяет свой цвет в месте нагрева. Пишущий элемент термографической записи выполнен в виде многоэлектродной термолинейки. По сравнению с электрографической записью время регистрации одного элемента изображения термоголовкой больше примерно в 10 раз, поэтому необходима параллельная запись, что требует введения дополнительных электронных устройств. В этом случае отсутствуют устройства, предназначенные для проявления и фиксации изображения. В стадии разработки находятся новые способы записи на простую бумагу с использованием проводящих и плавких чернил, что позволит снизить потребляемую энергию и обеспечить срок службы записывающей головки для получения порядка 100 тысяч копий.

Для примера на рисунке 12.3 представлена функциональная схема современного факсимильного аппарата третьей группы, а в таблице 12.2 приведены основные параметры факсимильных аппаратов общего назначения, выпускаемых ведущими фирмами различных стран.

1 – высокоскоростной модем; 2 – устройство управления сетью; 3 – устройство управления модемом; 4 – сканер; 5 – устройство управления сканером; 6 – кодирующее устройство; 7 – главное устройство управления; 8 – декодирующее устройство; 9 – электростатическая записывающая система; 10 – внутренняя управляющая шина; 11 – линза; 12 – устройство управления вводом-выводом; 13 – флуоресцентная лампа; 14 – преобразователь тока; 15 – устройство управления передатчиком; 16 – устройство управления приемником; 17 – панель управления

Рисунок 12.3. Функциональная схема современного факсимильного аппарата третьей группы

Таблица 12.2. Технические характеристики факсимильных аппаратов, выпускаемых ведущими зарубежными фирмами

К отечественной цифровой факсимильной аппаратуре относится комплекс Луга для передачи и приёма метеокарт размером 480x700мм по каналам ТЧ со скоростью 9600 бит/с. В аппаратуре реализована кодированная передача с использованием планарного кода, что обеспечивает её работу по телефонным каналам с вероятностью ошибки не более 10.

Для обеспечения цифровой передачи документальной информации и фотографий создан отечественный комплекс факсимильной аппаратуры “Фант”, использующий выделенные телефонные каналы со скоростью передачи 2400, 4800, 9600 бит/с при вероятности ошибки не более . Время передачи машинописной страницы текста, напечатанного через полтора интервала, не более 1,5 мин. Запись осуществляется на электрохимическую бумагу. Высокая помехоустойчивость достигается применением кода с исправлением до двух ошибок в блоке. По сравнению с аналогичными зарубежными факсимильными аппаратами комплекс “Фант” имеет меньшую степень искажения тонких штрихов, способен работать в каналах связи с достаточно высокой вероятностью ошибок.

Выполнять функции телефаксного оборудования, т.е. принимать и передавать факсимильные сообщения, могут и ПЭВМ. Для этого в них достаточно ввести дополнительную факсимильную плату расширения. Эта плата содержит интерфейс с телефонной линией, модем на скорость передачи от 2400 до 9600 бит/с, процессор для сжатия сигнала изображения, устройство автонабора номера. Плата обеспечивает преобразование компьютерных файлов в стандартный факсимильный сигнал, обратное преобразование, приём и передачу сообщений.

ПЭВМ, выполняющий функции факсимильного аппарата, обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными факсимильными устройствами:

• отказ от специальных типов бумаги;

• наличие банка изображений на магнитных носителях;

• возможность редактирования и компоновки изображений;

• меньшая доступность изображений, накопленных в ПЭВМ, имеющей защиту от несанкционированного доступа.