Вопрос 1: Общее представление о видеомагнитофонах

МЕТОДЫ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ ЗВУКО- И ВИДЕОСИГНАЛОВ

по дисциплине “Устройства записи и воспроизведения сигналов”

г. Ростов-на-Дону

2012 г.

ЛЕКЦИЯ № 2

«Методы магнитной записи звуко- и видеосигналов»

по дисциплине " Устройства записи и воспроизведения сигналов "

Изучаемые вопросы: 1. Общее представление о видеомагнитофонах.

2. Запись телевизионных изображений и звуковых сигналов.

Вопрос 1: Общее представление о видеомагнитофонах

Видеомагнитофон - сложное устройство, в котором одновременно и синхронно работают несколько различных по назначению и принципу дей­ствия следящих систем, блоки преобразования и обработки широкополос­ного видеосигнала, устройства шумоподавления и устранения влияния по­мех на выходной сигнал, механизмы транспортирования ленты и вращения головок.

Своеобразие конструкции видеомагнитофонов определяется специ­фикой структуры и параметров телевизионного сигнала и особенностями восприятия изображения на экране телевизора. Основным отличием видео­сигнала от звукового является его широкополосность. При принятом в Рос­сии и СНГ стандарте телевизионный сигнал занимает полосу частот 50 Гц 6,5 МГц. Отношение максимальной частоты в спектре к минимальной равно 1,3-105, что составляет 18 октав (для акустического сигнала соответственно 20 Гц - 20 кГц, 103, 10 октав). Таким образом, для записи телевизионного сигнала необходимо иметь тракт, в 130 раз более широкополосный, чем для звукозаписи. Условия записи таких широкополосных сигналов существенно различны, поэтому осуществлять эффективную запись сигналов в частот­ном диапазоне, равном 18 октавам, практически невозможно [25].

При воспроизведении широкополосных сигналов также возникают принципиальные трудности, связанные с тем, что воспроизведен с доста­точным уровнем может быть только тот сигнал, длина волны которого не превышает длины рабочей поверхности головки (эта величина примерно в 100 раз больше). Таким образом, прямая запись видеосигнала невозможна, и для обеспечения записи необходимо переместить его в область более высоких частот, осуществив тем самым относительное сжатие по частоте.

В то же время значительное смещение спектра в высокочастотную область также нежелательно, поскольку появление в спектре сигнала высо­кочастотных составляющих приводит, в свою очередь, к новым техниче­ским трудностям: во-первых, в сердечниках головок возрастают потери на вихревые токи; во-вторых, запись высоких частот требует применения больших скоростей записи-воспроизведения (требуется большой расход пленки). Например, при транспонировании в ВЧ область видеосигнала до 7,5МГц, при плотности записи 250 периодов/мм скорость ленты для про­дольной записи: v=7,5 106/250=30m/c. Для записи часа видеоматериала по­надобится рулон ленты длиной L= 3600v3k 108км, так что запись продолжительной программы обычными методами также оказывается неосуществи­мой.

Возникающие трудности тем более велики, чем выше верхняя запи­сываемая частота. Поэтому для преобразования сигнала целесообразно вы­брать такой метод, при котором минимально расширяется спектр. Известно, что в наибольшей степени этому требованию удовлетворяет однополосная амплитудная модуляция. Однако AM обладает малой помехозащищенно­стью.

После демодуляции AM модуляционный шум приводит к зашумлен­ности изображения, появлению на нем темных и светлых точек и полос, что недопустимо. Избежать влияния модуляционного шума можно, если при­менить в качестве метода преобразования сигнала частотную модуляцию. В этом случае воспроизводимый сигнал перед демодуляцией можно ограни­чить по амплитуде, устранив тем самым действие паразитной AM. Ширина спектра ЧМ сигнала зависит от индекса модуляции р и равна Д /*".,.„= 2F.vaKC (Р+\), где ^=Д///Г,Ш„; af- девиация частоты; FvaKC. - максимальная частота модулирующего сигнала [25].

Помехоустойчивость частотной модуляции по отношению к аддитив­ному шуму определяется индексом модуляции. В магнитной видеозаписи принята система ЧМ, в которой р =0,1. Ширина спектра записываемого ЧМ сигнала в этом случае не отличается от спектра AM сигнала и равна удво­енной полосе видеосигнала. Кроме того, чтобы снизить максимальную за­писываемую частоту, несущая частота ЧМ сигнала выбирается всего на 40 -50% выше FXUIX. При столь малом индексе модуляции система ЧМ ухудша­ет отношение сигнал-шум по аддитивным шумам, в основном создаваемы­ми усилителем и головками воспроизведения. Однако преимущество ЧМ перед AM в данном случае состоит в том, что в случае ЧМ при любом ин­дексе модуляции с помощью амплитудного ограничения удается полностью избавиться от паразитной AM и тем самым устранить влияние преобла­дающих в тракте записи-воспроизведения мультипликативных помех.

Оценим, каким требованиям по допустимому уровню собственных шумов должен удовлетворять усилитель воспроизведения. Влияние шумов на видеосигналы определяется визуальным характером их восприятия. Низ­кочастотные составляющие шума вызывают мерцание изображения, высо­кочастотные ухудшают разрешающую способность, приводят к появлению белых и черных точек на гладких полях изображений. При оценке помехо­защищенности видеотракта необходимо учитывать с помощью специальной весовой функции неодинаковую чувствительность глаза к различным по частоте составляющим шума. Помехи малозаметны, если с учетом весовой функции отношение сигнал-помеха на выходе видеотракта составляет не менее 40 дБ. Учет весовой функции эквивалентен улучшению этого отно­шения на 10 дБ. Следовательно, минимальное отношение сигнал-помеха на выходе ЧМ канала видеомагнитофона должно составлять 30 дБ.

При ЭДС воспроизводящей головки около 1... 2 мВ собственный шум усилителя воспроизведения, приведенный к входу, не должен превышать 5...10 мкВ. Создание такого усилителя с учетом его широкополосности явля­ется сложной технической задачей. Особенности визуального восприятия изображений определяют также высокие требования к стабильности скоро­стей записи-воспроизведения. Несовпадение скоростей записи и воспроиз­ведения приводит к появлению "зубчатости" вертикальных линий и их ис­кривления, к искажению цветопередачи, неустойчивости синхронизации и снижению четкости. Допустимое значение временной ошибки зависит от режима синхронизации. Значение коэффициента колебания скорости для черно-белого изображения должно быть в 100 раз меньше коэффициента детонации лучших магнитофонов - 10"6. При записи цветных сигналов тре­бования оказываются еще более высокими.

Различные системы цветного телевидения имеют разную чувстви­тельность к нестабильности временных соотношений в сигнале. В системе PAL допуск на цветовую поднесущую в студийной аппаратуре составляет ± 5 Гц (f=4433 618,75 Гц), в системе NTSC ± 10 Гц (f=3579545 Гц) [29]. Это соответствует относительной нестабильности ± 10"6 и 310"6. Система SECAM оказывается наименее чувствительной к временной нестабильно­сти, т.к. передача цветовой информации осуществляется с помощью час­тотной модуляции поднесущих и допуск на нестабильность поднесущих в этом случае составляет ± 2000Гц (f=4406250 Гц и f=4250000 Гц). Практически система SECAM не предъявляет дополнительных требований к временной стабильности по сравнению с черно-белым сигналом.

Наиболее высокие требования по стабильности временных соотноше­ний предъявляются к профессиональным видеомагнитофонам, используе­мым в студиях в качестве источников телевизионного сигнала. В этом слу­чае видеомагнитофон (ВМ) должен обеспечить: синфазность импульсов кадровой и строчной синхронизации и соответствующих импульсов сту­дийного синхрогенератора; идентичность фазы воспроизводимой цветовой поднесущей и формируемой в студийном оборудовании. Выполнить эти требования при обычной продольной записи практически невозможно. Не говоря об исключительно высоких требованиях, предъявляемых к точности изготовления деталей и узлов лентопротяжного механизма, точности транс­портирования ленты, параметрам двигателя.

Вопрос 2: Запись телевизионных изображений

Итак, сформулируем требования, которым должен удовлетворять ап­парат, пригодный для записи телевизионных изображений [25]:

1. Для обеспечения записи высокочастотных компонентов видеосигнала скорость записи-воспроизведения должна быть не менее 30 м/с. В то же время обеспечить запись на один километровый рулон ленты програм­мы продолжительностью 30... 40 мин можно только в том случае, если скорость ленты не будет превышать 38 см/с.

2. Коэффициент колебаний скорости должен быть в 100 раз меньше коэффициента детонации у лучших студийных магнитофо­нов. Даже растяжение ленты более чем на порядок превышает эту до­пустимую величину, хотя растяжение и не является основным источни­ком расхождения скоростей записи и воспроизведения.

3. Система преобразования сигнала, с одной стороны, не должна значи­тельно расширять его спектр, а с другой стороны, должна быть доста­точно помехоустойчивой, чтобы не предъявлять чрезмерных требований к допустимому уровню шумов канала воспроизведения.

Наиболее очевидное компромиссное решение поставленной задачи заключается в делении полного телевизионного сигнала на субсигналы, имеющие более узкий спектр, раздельной записи этих субсигналов на ленту и последующем суммировании их после воспроизведения. Известны два способа разделения сигнала на субсигналы - частотное и временное. Запись по первому из них была реализована в 1953 г. в аппарате фирмы rca (ra­dio corporation of america).

Сложный цветной телевизионный сигнал был разделен на красный, синий и зеленый компоненты. У каждого из них выделялась часть спектра в полосе до 1,5 мгц и записывалась на отдельную дорожку. На четвертой до­рожке записывались высокочастотные составляющие спектра видеосигнала в полосе 1.5...3,5 мгц. Отдельные дорожки отводились для сигналов звуко­вого сопровождения и синхронизации. Запись осуществлялась продольно на ленту шириной 12,7 мм по шести дорожкам. Скорость движения ленты была выбрана 9,15 м/с, время записи составляло 4 мин при длине ленты бо­лее 2 км. Требовалось применять сложные системы управления средней и мгновенной скоростями движения и натяжения ленты. Многие требования, предъявляемые к вм, остались не выполненными, а качество записи - не­высоким.

Временное деление телевизионного сигнала было реализовано при видеозаписи по способу Бинга Кросби в 1952 г. По этому способу непре­рывный видеосигнал вначале подвергался дискретизации с частотой, крат­ной частоте строчной синхронизации. Отсчеты видеосигнала распределя­лись по десяти каналам и записывались на ленту по отдельным дорожкам. При частоте дискретизации в каждом канале, равной 339 кГц, суммарная полоса частот записываемого видеосигнала составила 1,695 мГц. Для запи­си сигналов строчной и кадровой синхронизации использовалась отдельная, одиннадцатая, дорожка, а для записи звука - двенадцатая дорожка. Ско­рость ленты составляла 2,5 м/с, длительность записи - 16 мин.

Основным недостатком способа записи с временным делением яви­лись искажения изображения из-за фазовых рассогласований между сигна­лами, воспроизводимыми с разных дорожек. Эти искажения проявились в виде мерцания изображений, нерезкости, скачков строк, раздваивания изо­бражений, муара и др. Качество записи оказалось крайне низким, и этот способ также никакого распространения не получил, причем в обоих случа­ях основным источником искажений явилась практическая невозможность создания идентичных каналов для записи отдельных субсигналов, а также неизбежные рассогласования сигналов, воспроизводимых с парашельных дорожек. Решающим шагом в развитии техники видеозаписи явился отказ от продольной записи на ленту и переход к строчной записи. В этом случае видеосигнал не делится на субсигналы, а записывается целиком, но отдель­ными строчками, расположенными поперек ленты. Есть две разновидности строчной записи, применяемые в видеозаписи: поперечно-строчная и на­клонно-строчная.

Рассмотрим способ поперечно строчной записи, разработанный в 1956 г. фирмой Атрех (США) (формат записи Q). Поперечно-строчная запись осуществляется четырьмя магнитными головками, записывающими строки относительно небольшой протяженно­сти (меньше ширины применяемой ленты). Этот принцип позволил достичь высокой скорости движения магнитной ленты относительно головки за счет быстрого вращения барабана с головками (15000 мин) в поперечном на­правлении при относительно медленном продольном продвижении ленты (39,7 см/с) в ВМ.

Поскольку магнитные головки записывают дорожки поперек ленты, то использовалась относительно широкая двухдюймовая (50,8 мм) лента. Головки записывают сигнал поочередно, при чем во избежание перерывов запись в начале и конце строчек производится с перекрытием одновременно двумя смежными головками. Требования к стабильности скорости ленты оказываются сравнительно низки, поскольку они определяются только не­обходимостью обеспечить при воспроизведении попадание головок на строчки записи. Для устранения влияния низкочастотных колебаний и дрейфа скорости в видеомагнитофонах используется система автоматиче­ского регулирования скорости ленты (САРСЛ) [25].

Несмотря на высокую (40 м/с) скорость записи и воспроизведения, скорость ленты сравнительно невелика, и в рулоне, содержащем 1,5 км лен­ты, может быть размещена 1,5-часовая программа. В видеомагнитофоне ис­пользована система ЧМ преобразования видеосигнала с низкой несущей частотой и малой девиацией частоты. Выбор таких параметров модуляции

не позволил применить в качестве устройств преобразования классические частотные модуляторы и демодуляторы. Выбор низкого, меньше двух, от­ношения несущей частоты ЧМ сигнала / к высшей модулирующей частоте определяет перекрытие спектров видео - и ЧМ сигналов. Это наглядно видно из приведенных на рисунке 2.2 спектров исходного сигнала (рис. 2.2а) и сигнала на выходе ЧМ модулятора (рис. 2.26).

В ЧМ модуляторах видеомагнитофонов приняты меры, не допускающие попадания модулирующего сигнала на выход модулятора, а демодулятор построен таким образом, что в нем также обеспечено разделе­ние спектров видеосигнала и ЧМ колебания. Выбор низкого индекса моду­ляции при видеозаписи явился вынужденной мерой, позволившей мини­мально расширить спектр записываемого сигнала по сравнению с видеосиг­налом. Но в то же время это повлекло за собой ужесточение требований к усилителям воспроизведения по допустимому уровню собственных шумов. Для их снижения во входных каскадах усилителей применяют малошумя-щие полевые транзисторы.

Рис. 1. Спектры видеосигнала (а) и ЧМ сигнала на выходе модулятора (б)

В 1962 г. была реализована магнитная запись цветных изображений, которая кроме усложнения электронных схем не внесла ничего принципи­ально нового в ВМ. Длительное время в телевизионной аппаратуре приме­нялись почти исключительно полные цветовые видеосигналы, кодирован­ные по одной из трех систем - NTSC, PAL, SECAM. Затем все более широко стали применяться компонентные видеосигналы - сигналы яркости и цвет­ности. Сигналы цветности без ущерба для качества изображения можно пе­редавать в сокращенной (примерно в 4 раза, т.е. до 1,5-2 мГц) полосе час­тот. Вследствие этого становится возможной передача суженого спектра сигнала цветности в той же полосе, которая отведена для передачи яркостного сигнала, путем частотного уплотнения. Для этого цветовую поднесущую переносят в область частот, лежащую ниже спектра ЧМ-сигнала. Сигнал цветности суммируется с ЧМ-сигналом и вместе записывается на маг­нитную ленту. Частотно-модулированный сигнал действует в качестве ВЧ-подмагничивания (как в звукозаписи), поэтому искажения сигнала цветно­сти невелики.

В 1975 г. уменьшить большую ширину применявшейся магнитной ленты позволила наклонно-строчная запись, сократилось также количество магнитных головок. Суть способа такого вида записи состоит в том, что в зоне контакта ленты с вращающимися видеоголовками ей придается изгиб в форме отрезка винтовой спирали, внутри которой вращается диск с одной или двумя видеоголовками. На рисунке 2.3 показано расположение бараба­на с видеоголовкой и лентой, расположение ленты в механизме, а также траектория ленты в кассетном видеомагнитофоне Строка записи при этом расположена под небольшим углом к краю магнитной ленты. При угле охвата лентой барабана 360° достаточно одной головки. Для двухголовочного ВМ угол обхвата составляет 180°. Различ­ному углу охвата соответствуют и различные типы ЛПМ: для 180° схема хода напоминает латинскую букву U-BM с таким ЛМП имеет название "U-matic". Для угла охвата 360° - двух типов Q- и ОС - петли (рис. 2.36, 23л). 12 Одно из достоинств этого вида записи - возможность изменения тем­па движения (в кадре) воспроизводимого изображения вплоть до его оста­новки, которое достигается изменением скорости движения ленты в ВМ при сохранении скорости вращения головок. При этом изменяется угол на­клона головок относительно строчек записи, в результате чего возникает шумовая полоса [25].

Для осуществления таких режимов нужно, чтобы длина строки запи­си была бы достаточна для записи целого поля, однако в этом случае необ­ходима коррекция временных искажений. Для уменьшения временных ошибок, свойственных длинной строке, на нее записывается часть поля. В таких случаях количество головок увеличивается для обеспечения непре­рывной записи, т.е. изображение сегментируется. Из-за различия видеого­ловок между собой эти полосы могут быть неодинаковыми, что будет за­метно на экране. Замедление и остановка изображения в этом случае тре­буют дополнительной обработки.

Существенным недостатком классического способа записи с ВЧ подмагничиванием является стирающее действие тока подмагничивания на записываемый сигнал, особенно на высоких частотах. Это вызывает необходимость введения предискажений ВЧ-составляющих сигнала до 18...20 дБ, что, в свою очередь, приводит к значительным фазовым искажениям сигнала.

Наряду с классическими способами записи с постоянным подмагничиванием, все большее развитие приобретают новые способы - импульсные.

Рис. 1

Рис. 2

В последнее время запатентована идея амплитудно-импульсного способа записи [1], при котором запись на ленту осуществляется очень короткими импульсами, пропорциональными огибающей сигнала (рис.1), в интервале перемещения ленты, значительно меньшем рабочего зазора головки (рис.2). Затем запись прекращается, пока лента не переместится на расстояние, равное длине эффективной зоны записи, во избежание "размывания" сигнала. В результате запись на магнитном носителе представляет собой короткие неперекрывающиеся участки с постоянным уровнем намагниченности в пределах отдельного участка - аналогично кадрам кинопленки (рис.2). При этом ток записи формируется по закону амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) напряжением, пропорциональным коэффициенту заполнения g

Uз = gUс, (1)

где g = tи/Tд;

tи - длительность импульса;

Tд - период частоты дискретизации.

На первый взгляд, эта идея выглядит очень привлекательной и правдоподобной, позволяющей полностью использовать нагрузочную способность лент и улучшить отношение сигнал/шум за счет того, что в отсутствие сигнала отсутствует и ток подмагничивания.

При реализации данного способа записи частоту дискретизации (fд) предлагается выбирать в зависимости от ширины зазора (s) записывающей головки и от скорости движения ленты (V):

fд = V/s (Гц), (2)

где V - скорость движения ленты, м/с;

s - ширина зазора головки записи, м.

Например, при скорости 4,76 см/с и ширине зазора 1 мкм частота дискретизации:

fд = V/s = 4,76·10-2/10-6 = 4,74·104 (Гц) = 47,6 (кГц),

что вполне удовлетворяет условию теоремы Котельникова: fд > 2fв сигнала.

На мой взгляд, эта идея ошибочна по следующим причинам:

Наличие петли гистерезиса, а значит, и коэрцитивной силы как записывающей головки, так и носителя, неизбежно приводит к появлению характерных искажений типа "ступенька" при переходе через ноль на низких и средних частотах. Это происходит оттого, что при изменении полярности импульсов за счет остаточной индукции (Br) происходит укорачивание первых импульсов. На частотах выше 3 кГц "ступенька" полностью "съедает" сигнал, т.к. головка не успевает перемагничиваться очень короткими импульсами. Для намагничивания однополярными импульсами до уровня, близкого к насыщению ленты (Br), необходимо как минимум четыре импульса за четверть периода (соответственно, 16 за период), что еще кое-как обеспечивается при частоте дискретизации 48 кГц на частотах до 3 кГц (48: 16 = 3). В результате, на более высоких частотах запись оказывается невозможной вообще.

Воздействие головки на носитель представляется в [1] слишком идеализированным. На самом деле оно не ограничивается только зоной зазора, да и эффективная ширина зазора примерно в 1,2 раза шире его физического размера.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что не только амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), но и однополярная широтно-импульсная модуляция [2] непригодна для магнитной записи звука.

Несколько подругому обстоит дело при способе записи, описанном в [3], где ток подмагничивания формируется прямоугольным напряжением, а амплитудно-импульсно модулированные выборки сигнала, подаваемые через мультиплексор и синхронизированные с напряжением подмагничивания, смешиваются на головке записи. Для этого способа характерны дополнительные импульсные помехи и необоснованное усложнение схемы.

Более простой способ, без АИМ-выборок, предложен в [4]. Суть способа заключается в том, что подмагничивание имеет не постоянный уровень, а промодулировано по амплитуде с определенной частотой. Частоту модуляции выбирают в зависимости от скорости движения носителя и зазора головки по формуле (2). При этом интервалы с повышенным и пониженным уровнями подмагничивания должны иметь целое число периодов и быть синхронизированы с началом перехода сигнала через ноль во избежание повышения шума фонограммы из-за несимметричного подмагничивания. Для этого необходимо предусмотреть возможность сдвига фазы подмагничивания. Оптимальная глубина модуляции может находиться в пределах 50...70% (-6...-10 дБ), но не более 80% (-14 дБ).

Например, для кассетного магнитофона при частоте подмагничивания 90 кГц частота модуляции может быть 45 кГц. Тогда в течение 11 мкс носитель подвергается подмагничиванию с номинальным уровнем, а в течение оставшихся 11 мкс - ослабленному на 6...10 дБ, что способствует меньшему размагничиванию носителя, и соответственно, лучшей записи ВЧ-составляющих сигнала.