Бытовые цифровые магнитофоны с вращающимися головками

Новых идей при решении вопросов организации записи цифровых сигналов на вращающихся головках генерировать не пришлось, так как в середине 80-х годов уже были известны бытовые видеомагнитофоны именно с таким принципом записи широкополосного сигнала. Просто потребовалось время для чисто технологических доработок, чтобы по потребительским качествам превзойти магнитофоны формата S-dat, причем, и прежде всего, по удельной поверхностной плотности записи, а следовательно, длительности звучания кассеты. Такой формат был разработан, он получил название R-dat (Rotary-Digital Audio Таре). С 1987 г. многие фирмы Японии начали производство магнитофонов данного формата.

Одно из главных достоинств техники записи вращающимися головками – возможность достижения большей плотности записи по сравнению с продольной многодорожечной записью. В случае записи многодорожечным блоком головок между дорожками записи необходимо иметь защитные интервалы шириной не менее 10-15 % от ширины дорожки записи, которые служат для исключения взаимного влияния каналов друг на друга, порождаемого возможными смещениями ленты относительно головки, а также эффектом бокового считывания, заключающимся в том, что головка может считывать сигналы с участка, несколько более широкого, чем длина рабочего зазора головки. В результате поверхность ленты не может быть полностью использована для записи сигналов. При использовании так называемой азимутальной наклонно-строчной записи запись наклонных строчек производится без промежутков между ними, вплотную. Углы разворотов рабочих зазоров в формате R-dat составляют ±20°. Благодаря применению наклонно-строчной записи без защитных промежутковR-dat обладает наибольшей поверхностной плотностью записи на единицу поверхности магнитной ленты – 17,7 млн бит/см², что почти на порядок превышает плотность записи в формате S-dat (со стационарными головками). КассетаR-dat почти вдвое меньше кассеты S-dat, но обеспечивает значительно большую продолжительность звучания (2 ч против 90 мин). Качество звучания обеих систем идентично и оценивается очень высоко.

С аналоговой записью на компакт-кассету цифровые магнитофоны форматов S-dat и R-dat объединяет только одно: используется магнитная лента такой же ширины – 3,81 мм, хотя сама лента, конечно, имеет значительно лучшие характеристики. Для цифровых магнитофонов применяются металлопорошковые ленты с большой коэрцитивной силой и остаточной намагниченностью, что позволяет, например, для формата R-dat уменьшить ширину наклонных строчек записи до 13,6 мкм. Для сравнения заметим, что эта величина во много раз меньше ширины дорожки записи аналогового кассетного магнитофона (600 мкм).

Очень важное достоинство магнитофона R-dat – малый расход ленты. Линейная скорость движения ленты составляет всего 8,15 мм/с, что почти в 6 раз меньше скорости ленты в аналоговом магнитофоне. Еще одно преимущество такого магнитофона – возможность быстрого поиска нужного фрагмента магнитограммы. Скорость перемотки ленты в режиме поиска превышает скорость воспроизведения более чем в 200 раз. Двухчасовая кассета R-dat полностью перематывается за 40 с. Поиск нужного участка производится с помощью специальных данных, записанных на ленту вместе с программой. Эти данные включают в себя информацию о номере фрагмента, времени его исполнения, общем времени звучания и другие сведения. Эта информация обычно выводится на табло индикатора магнитофона.

Запись на ленту в магнитофоне R-dat осуществляется с помощью двух головок, размещенных под углом 180° на барабане блока вращающихся головок (БВГ). Угол охвата лентой блока вращающихся головок составляет 90° при диаметре БВГ 30 мм. Малый угол охвата позволяет уменьшить давление ленты на цилиндр блока вращающихся головок, что уменьшает износ механической части магнитофона и дает возможность реализовать высокие скорости перемотки ленты без отвода ее от барабана. Малый угол охвата лентой барабана вращающихся головок означает, что примерно половину времени головки не контактируют с лентой, В это время в цифровой части блока записи- воспроизведения продолжается процесс обработки информации.

Чисто внешне магнитограмма формата R-dat напоминает магнитограмму бытового видеомагнитофона с наклонной записью. Отличия состоят в параметрах. Если в видеомагнитофонах используется лента шириной 12,6 мм, то в формате цифровой звукозаписи R-dat ширина ленты такая же, как в обычном кассетном аудиомагнитофоне – 3,81 мм. На рис 2.3 показан схематично вид магнитограммы формата R-dat, масштаб на рисунке не выдержан. Цифровой стереосигнал расположен на наклонных магнитных дорожках вместе с некоторыми дополнительными служебными сигналами, необходимыми для восстановления информации при воспроизведении. Наклонные дорожки, как видно из рис. 2.3, находятся в центральной части ленты, где возможность механического повреждения ленты минимальна. По краям ленты оставлены дополнительные дорожки, которые могут быть использованы для каких-нибудь дополнительных сервисных целей.

Эффективная ширина поля записи В = 2,613 мм, ширина дополнительных дорожек – 0,4 мм, угол наклона дорожек записи к краю ленты составляет около 6°26', длина наклонной дорожки записи – 23,501 мм.

Наклонная дорожка R-dat магнитофона содержит пять основных зон, предназначенных для записи основных, дополнительных данных и служебных сигналов. Зона, где производится запись звукового цифрового сигнала двух стереоканалов вместе с проверочными данными системы коррекции ошибок, расположена в центре дорожки и занимает большую площадь по сравнению с другими зонами. В дальнейшем будем называть ее зоной ИКМ. С обоих концов этой зоны располагаются зоны записи сигналов поиска дорожек (автотрекинга). С помощью этих сигналов определяется смещение головки относительно дорожки записи и обеспечивается точное слежение за «своей» дорожкой. Далее с обоих краев дорожки также расположены две зоны, предназначенные для записи дополнительных данных – субкода, обеспечивающего сервисные функции магнитофона. Кроме того, в начале и конце дорожки записываются специальные «маркерные дорожки» – сигналы, предназначенные для ввода в режим синхронизации системы ФАПЧ, вырабатывающей синхроимпульсы для детектирования воспроизводимого с ленты сигнала.

Рис. 2.3. Магнитограмма формата R-dat

 

Каждая из пяти основных зон делится на блоки. Всего блоков на дорожке 196, из них большинство (128 блоков) находится в ИКМ-зоне. Каждый блок содержит 36 символов, из которых 32 информационных. Эти символы до канального кодирования включают по 8 бит каждый (1 байт), но после канального кодирования 8/10 каждый символ имеет уже 10 бит. Первый символ каждого блока – так называемая синхропоследовательность, служащая для определения начала каждого блока. Синхропоследовательность имеет такое сочетание нулей и единиц, которое больше нигде не встречается, поэтому она легко распознается системой воспроизведения, Следующие за синхропоследовательностью два символа занимает код основной идентификации, где записываются данные о режиме работы магнитофона при записи фонограммы, адрес блока, адрес кадра информации. Кадром информации в формате R-dat считается информация, заключенная в двух смежных дорожках, записанных головками А (+азимут) и В (- азимут). Адрес кадра регистрируется четырьмя разрядами и может изменяться от 0 до 15, т. е. через 16 пар дорожек адрес кадра вновь становится нулевым и отсчет начинается снова. Адрес блока данных занимает 7 бит и может меняться от 0 до 127. Последний символ части блока служебных данных составляют биты проверки сигналов кода основной идентификации на четность. Эта проверка позволяет определить, безошибочно ли считан код основной идентификации с дорожки.

Всего в зоне ИКМ одной дорожки размещаются 4096 символов, из них символов основных данных – 2912. Остальные символы – это проверочные данные системы коррекции ошибок. В зонах субкода одной дорожки размещается 512 символов, из них 448 символов данных субкода и 64 символа проверочных данных. Ниже приводятся основные характеристики формата R-dat.

Частота дискретизации, кГц 48

Число бит на отсчет 16

Скорость движения ленты, мм/с 8,15

Скорость записи, м/с 3,13

Ширина и тип ленты 3,81 мм, с металлизированным рабочим слоем

Линейная плотность записи, бит/мм 2560

Расстояние между дорожками, мкм 13,6

Угол наклона рабочих зазоров головок, град. ±20

Размеры кассеты, мм 73x54x10,5

Время звучания одной кассеты, ч 2

Формат R-dat благодаря лучшим техническим характеристикам считается наиболее перспективным для использования в цифровых магнитофонах.

Лекция 7

 

Телевизионный сигнал. При передаче черно-белого изображения телевизионное сообщение представляет собой оптическое изображение, яркость которого преобразована в электрическое напряжение путем последовательного разложения изображения по строкам и кадрам. Для обеспечения правильного приема ТВ сигнала в сигнал изображения замешивают сигналы синхронизации по строкам и кадрам. Получаемый таким образом сигнал называется полным телевизионным сигналом черно-белого изображения. Он состоит из сигнала яркости и сигнала синхронизации (рис. 1.2, а).

В СССР стандарт предусматривает разложение изображения в кадре на 625 строк. При передаче 25 кадров в секунду для устранения возможного мерцания каждый кадр передается двумя полу кадрами, в одном передаются только четные строки, в другом — нечетные. В результате число полукадров равно 50 и смена изображений на экране приемной трубки становится незаметной. При передаче 25 кадров с 625 строками в каждом номинальное значение частоты разложения по строкам равно 15,625 кГц.

Рис.1 Процесс получения чересстрочного видеосигнала аналоговой камерой

 

Согласно принятому в нашей стране стандарту напряжение полного видеосигнала , состоящего из импульсов синхронизации U_c и сигнала яркости и гасящих импульсов U_p (рис. 1.2, а) составляет ί/_ΤΒ =U_P + U_c = 1B. При этом U_c = 0,3 , a U ρ = . Сигнал яркости является случайным процессом, который зависит от характера передаваемого изображения. Ширина полосы, занимаемая полным видеосигналом, ограничена и составляет 50 Гц... 6 МГц. Его динамический диапазон лежит в пределах 40 дБ.

Полный видеосигнал цветного изображения образуется из сигналов яркости, цветности и синхронизации. Размах сигнала цветности (рис. 1.2, б) равен 23 ± 2,5 % от размаха сигнала яркости.

Рис. 1.2. Полный телевизионный сигнал: а) черно-белый, б) цветной

 

1. Принцип формирования ТВ сигнала. Вывод ТВ сигнала на экран телевизора.
1.1 Процесс получения чересстрочного видеосигнала.

 

Совокупность строк, считываемых каждые 1/50 сек. называется полем. Два последовательно считанных поля образуют телевизионный кадр. Если объект съемки перемещается относительно камеры, изображения на разных полях будут отличаться друг от друга, причем чем больше будет скорость перемещения объекта съемки, тем заметнее будут отличия, так как моменты времени, в которые сканировалось первое и второе поле каждого кадра отличаются на 1/50 секунды. Можно сказать, что камера снимает 50 снимков в секунду, но в телевизионный сигнал из каждого такого снимка попадают только четные или нечетные строки попеременно. Телевизионный сигнал формируется в режиме реального времени. Это значит, что поля в сигнале следуют одно за другим с частотой 50 Гц в том порядке, в каком они были считаны с матрицы камеры. Это значит, что поле 1 принадлежащее более раннему моменту времени, чем поле 2, в телевизионном сигнале всегда приходит приходит первым, а за ним идет поле 2.

1.2 Структура телевизионного сигнала.

 

По ГОСТ 7845-72 для системы телевидения SECAM в России и аналогичным международным стандартам для систем PAL и SECAM, в телевизионном сигнале кадр содержит 625 строк (в двух полях). Формат кадра, то есть отношение ширины кадра телевизионного изображения к его высоте, равен 4:3. Разложение изображения происходит по строкам слева направо с частотой 15625 Гц. Часть строк телевизионного сигнала не выводится на экран телевизора и является служебной. Строки друг от друга отделяются строчными синхроимпульсами, поля отделены друг от друга кадровыми синхроимпульсами. Синхроимпульсы нужны для опознавания начала строки и поля, а также для формирования сигналов развертки в телевизоре. Структура телевизионного сигнала по ГОСТ 7845-72 приведена на Рис.2.

 

 

Рис. 2 Структура телевизионного сигнала по ГОСТ 7845-72.

Поэтому ГОСТ строки внутри полей имеют непрерывную нумерацию. С 1-й по 312-ю в первом поле и с 313-ой по 625-ю во втором поле.

 

1.3. Вывод изображения на экран телевизора.

 

Из синхроимпульсов телевизионный приемник формируют сигналы двух разверток - строчной и кадровой. Изображение на экране телевизора "рисуется" узким лучом. Строчная развертка перемещает этот луч слева направо, а кадровая сверху вниз. Яркость луча в каждый момент модулируется сигналом той строки, которая на данный момент "рисуется". За счет того, что луч "бегает по экрану" с очень большой скоростью и за счет послесвечения люминофора экрана, человек воспринимает экран так, как будто светится вся его площадь. То есть телевизионный приемник также выводит изображение из телевизионного сигнала в режиме реального времени. Процесс вывода чересстрочного телевизионного сигнала на экран телевизора поясняет Рис.3.

Рис. 3 Вывод изображения на экран телевизора.

1.4. Показ кинофильмов по телевидению.

 

Рассматривая процесс формирования ТВ сигнала, стоит отдельно упомянуть кинофильмы, показываемые по телевидению. Дело в том, что изначально большинство кинофильмов снимается на кинопленку со скоростью 24 кадра в секунду. Чтобы показать кинофильм по телевидению изображение с кинопленки нужно преобразовать в телевизионный сигнал. Делается это сканированием изображения с кинопленки при помощи специальной аппаратуры. При этом и первое, и второе поле каждого телевизионного кадра формируются из строк сосканированных с одного кинокадра. Для первого поля берутся четные строки, а для второго - нечетные. Поскольку поля формируются с одного кинокадра, сдвига во времени между полями нет, то есть оба поля принадлежат одному моменту времени. Для приведения частоты кадров к телевизионному стандарту (25 кадров в секунду для PAL и SECAM) каждый 24-й кадр дублируется.

Известно, что человеческий глаз воспринимает как единое целое красную (Red), зеленую (Green) и синюю (Blue) части видимого спектра. Таким образом, цветовое восприятие человека трехкомпонентное. Конечно, мы воспринимаем больше цветовых оттенков – считается, что 16 миллионов – но для нас, в силу особенностей цветового восприятия, все они сводятся к комбинациям этих трех “главных” цветов (в теории цвета их называют опорными). Исходя из этого, все телевизионные камеры и другие технические датчики цветных изображений формируют три сигнала – R, G, B, а в телевизионных и компьютерных мониторах экран одновременно сканируют три электронных луча, вызывая световые вспышки красного, зеленого и синего цветов. Глаз же при этом воспринимает только результирующее изображение во всем богатстве цветов реального мира. В то же время для телепереноса цветного изображения через эфир технически эффективнее кодировать цвет иным образом. Дело в том, что глаз менее чувствителен к пространственным изменениям оттенков цвета, чем к изменениям яркости. Поэтому цветовая информация может передаваться с меньшей пространственной четкостью (разрешением). В результате исходные RGB-видеосигналы в телевидении перед передачей преобразуют (кодируют) в сигнал яркости Y и два цветоразностных сигнала U и V:

 

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B, U = R - Y, V = B - Y,

 

при этом U и V передаются с разрешением, в два раза меньшим, чем Y. Такое уменьшение объема передаваемой информации позволяет строить более дешевые системы. Выбор вышеуказанных коэффициентов преобразования определяется жестким требованием двусторонней совместимости черно-белых и цветных приемников - яркостной сигнал Y совпадает с формируемым в ч/б системах, ч/б приемники воспринимают только его. Что касается цветовых сигналов U и V, то они добавляются к яркостному сигналу путем модуляции специального гармонического сигнала (цветовой поднесущей) на частоте, лежащей в пределах спектра сигнала Y. В результате полосы яркостного сигнала и полного видеосигнала совпадают. Модуляция поднесущей может осуществляться по амплитуде, фазе или частоте согласно U- и V- значениям. При приеме для точного определения величин модуляции необходима привязка к опорной несущей. Для этого в начале каждой строки передаются пакеты немодулированной несущей – так называемые синхроимпульсы. Таким образом телевизионный видеосигнал, с определенными оговорками, представляет собой композицию трех сигналов Y, U, V и синхроимпульсов. Такой сигнал называют композитным.

При приеме в цветном телевизоре осуществляется обратный процесс восстановления (декодирования):

R = Y + U, B = Y + V, G = Y - 0.509U - 0.194V

 

Телевизионное изображение воспроизводится путем последовательного сканирования электронными лучами по покрытому электролюминисцирующим веществом экрану. Сканирование происходит слева направо вдоль горизонтальных линий (телевизионных строк) и сверху вниз по строкам. Лучи пробегают строку за строкой сверху вниз до самого низа экрана, а затем возвращаются назад, и опять - слева-направо сверху-вниз. За счет инерционности глаза в процессе подобного сканирования вызываемые цветовые вспышки света сливаются в линии, а затем в полное изображение. В результате полный телевизионный кадр представляет собой совокупность последовательно высвечиваемых линий, передающих пространственное распределение изображения. Установлено, что для восприятия человеческим глазом этой совокупности как целого она должна обновляться не реже 50 раз каждую секунду.

В настоящее время в эксплуатации находятся три совместимых системы цветного телевидения - NTSC, PAL, SECAM. Основные различия между ними заключаются в конкретных методах кодирования телевизионного сигнала (см. таблицу).

	NTSC	PAL	SECAM
Горизонтальная частота развертки, кГц	15.374	15.625	15.625
Число строк в кадре
Число видимых (активных) строк в кадре
Вертикальная частота развертки, Гц
Тип модуляции цветовой поднесущей	Амплитудная	Амплитудная	Частотная
Полоса видеосигнала, МГц	4.2	5 для B/G, 5.5	для I, 6 для D/K
Частота цветовой поднесущей, МГц	3.60	4.43	4.41 по U, 4.25 по V
Разнос несущих видео/звук, МГц	4.5	5.5 для B/G, 6	для I, 6.5 для D/K
Полная ширина сигнала, МГц		7 для B/G,	8 для I/D/K

 

Кратко остановимся на особенностях этих систем, рассматривая их в хронологическом порядке. NTSC (National Television System Color) – первая система цветного телевидения, нашедшая практическое применение. Она была разработана в США и уже в 1953 г. принята для вещания, а в настоящее время вещание по этой системе ведется также в Канаде, большинстве стран Центральной и Южной Америки, Японии, Южной Корее и Тайване. Именно при ее создании были выработаны основные принципы передачи цвета в телевидении. В NTSC каждая телевизионная строка содержит составляющую яркости Y и два сигнала цветности EI = 0.737U - 0.268V, EQ=0.478U+0.413V. Здесь переход от осей цветового кодирования U, V к осям I, Q обусловлен необходимостью сужения ширины полос цветовых поднесущих всего до ± 0.5 Мгц (в NTSC используется самая узкая полоса видеосигнала). Поскольку глаз человека мелкие детали зеленого и пурпурного цветов (ось Q) воспринимает как неокрашеные (ось I - перпендикулярная к Q), то для сигналов EQ и EI это удается без дополнительных потерь в разрешении. Цветоразностные сигналы передаются путем амплитудной модуляции поднесущих на одной и той же частоте, но с фазовым сдвигом на 90њ. Последнее обстоятельство является принципиально важным для разделения сигналов при приеме. Однако, из-за неизбежных нелинейных искажений в канале передачи поднесущие оказываются промодулированными сигналом яркости как по амплитуде, так и по фазе. В результате в зависимости от яркости участков изображений изменяются их цветовой тон. Например, человеческие лица на изображении окрашиваются в красноватый цвет в тенях и в зеленоватый - на освещенных участках. Это и является основным недостатком системы NTSC.

C целью его устранения немецкой фирмой “Telefunken” в 1963 г. была разработана система PAL (Phase Alternation Line). Здесь использована аналогичная амплитудная модуляция цветоразностных сигналов EU=0.877U и EV=0.493V с фазовым сдвигом на 90њ, но через строку дополнительно производится изменение знака амплитуды составляющей EU. В результате при восстановлении в декодере цветовые составляющие надежно разделяются сложением/вычитанием сигналов цветности последовательных телевизионных строк, и паразитная яркостная модуляция приводит лишь к некоторому изменению цветовой насыщенности. Усреднение сигналов двух строк обеспечивает также повышение отношения сигнал/шум, но приводит к снижению вертикальной четкости в два раза. Впрочем частично последнее компенсируется увеличением числа телевизионных строк разложения. Система PAL принята в большинстве стран Западной Европы, Африки и Азии, включая Китай, Австралию и Новую Зеландию.

Система SECAM (SEquentiel Couleur A Memoire) первоначально была предложена во Франции еще в 1954 г., но регулярное вещание после длительных доработок было начато только в 1967 одновременно во Франции и СССР. В настоящее время она принята также в Восточной Европе, Монако, Люксембурге, Иране, Ираке и некоторых других странах. Основная особенность системы - поочередная, через строку, передача цветоразностных сигналов (DR= –1.9U, DB=1.5V) с дальнейшим восстановлением в декодере путем повторения строк. При этом в отличие от PAL и NTSC используется частотная модуляция поднесущих. В результате цветовой тон и насыщенность не зависят от освещенности, но на резких переходах яркости возникают цветовые окантовки. Обычно после ярких участков изображения окантовка имеет синий цвет, а после темных - желтый. Кроме того, как и в системе PAL, цветовая четкость по вертикали снижена вдвое.
Таковы общие принципы кодирования цвета в различных видеосистемах телевидения. Но этим многообразие стандартов не ограничивается. Дело в том, что для формирования полного телевизионного сигнала к видео необходимо добавить звук, а полученный так называемый низкочастотный телевизионный сигнал передать через эфир путем модуляции гармоники одного из доступных радиоканалов (48,5...66 МГц - первый частотный диапазон, 76...100 МГц - второй частотный диапазон, 174...230 МГц - третий частотный диапазон, 470...790 МГц - четвертый частотный диапазон). И здесь даже в рамках одной системы существуют различия, связанные с конкретной шириной спектра видеосигнала и его разносом со звуковой частью, полярностью амплитудной модуляции радиоканала изображения и типом модуляции радиоканала звука. В таблице представлены основные параметры телевизионных стандартов стран мира.

Использование стандартов разложения в различных системах аналогового телевидения[17]
Стандарт	Год введения	Количество строк	Кадровая частота, Гц	Ширина полосы видео, МГц	Модуляция видео	Модуляция несущей звука	Традиционная цветная система
A					позитивная	амплитудная	ч/б
B					негативная	частотная	PAL/SECAM
C					позитивная	амплитудная	ч/б
D					негативная	частотная	PAL/SECAM
E					позитивная	амплитудная	ч/б
F					позитивная	амплитудная	ч/б
G					негативная	частотная	PAL/SECAM
H					негативная	частотная	PAL
I				5.5	негативная	частотная	PAL
J			30 (29,97)	4.2	негативная	частотная	NTSC
K					негативная	частотная	PAL/SECAM
K'					негативная	частотная	SECAM
L	1970-е				позитивная	амплитудная	SECAM
M			30 (29,97)	4.2	негативная	частотная	NTSC
N				4.2	негативная	частотная	PAL

 

Нелишне напомнить, что в России принят стандарт SECAM D/K (первая буква относится к диапазону метровых волн, вторая - дециметровых), во Франции - SECAM E/L, Монако - SECAM C/L, Иране - SECAM B, Германии - PAL B/G, Англии - PAL A/I, Бельгии - PAL B/H, Бразилии - PAL M/M, Китае - PAL D/K, в США, Японии и Тайване - NTSC M/M. В заключении отметим, что французский и российский “секамы” существенно отличаются в модуляции несущего радиосигнала - как по видео, так и по звуку. А на уровне низкочастотных сигналов отличий нет. Основное отличие между SECAM B/G и D/K - в частоте разноса звука от видео. В то же время с точки зрения модуляции радиосигналов отличий между PAL D/K и SECAM D/K нет. Это позволяет использовать телевизионный тюнер, настроенный на PAL D/K, для выделения нашего SECAM из высокочастотного сигнала. Очевидно, что полученный при этом низкочастотный сигнал все же необходимо подавать именно на SECAM-декодер.