Назначение и классификация систем звукозаписи

Характеристики канала записи-воспроизведения

При цифровой записи физические основы и расчетные формулы, включая выражение для горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля H_x, точно такие же, как при аналоговой записи. Однако при этом записываются сигналы значительно более высоких частот и, соответственно, используются большие скорости записи, чтобы волновые потери не были бы слишком большими. Необходимо также учитывать, что записывается сигнал с цифровой модуляцией, поэтому необходимо выполнение требований теоремы Котельникова в отношении тактовой частоты модулированного сигнала и максимальной частоты спектра записываемого сигнала.
Запись производится магнитным полем критической зоны вблизи сходящей грани зазора ГЗ. Ширина зазора этой головки существенного влияния на плотность записи и волновые потери не оказывает.
Воспроизведение записи в магнитофоне осуществляется индукционной ГВ, поэтому выходной сигнал пропорционален производной магнитного потока по времени. Из этого следуют два важных следствия. Первое, из-за операции дифференцирования выходной сигнал не имеет прямоугольной формы, и представляется в виде узких двух полярных импульсов, которые называют характеристическими. Их максимумы совпадают с фронтами входных прямоугольных импульсов, когда нет коррекции (рис.21). Восстановление прямоугольной формы импульсов на выходе обычно производится по моментам перехода воспроизводимого сигнала через нулевые значения. Реализуется это с помощью усилителя-ограничителя.
Второе, воспроизводимый сигнал сдвинут по фазе на. По этой причине при отсутствии фазовой коррекции происходит смещение моментов перехода выходного сигнала через нулевое значение на половину длительности входного импульса. Поэтому моменты перехода через нуль на входе и выходе не совпадают.
Сдвиг воспроизводимого сигнала можно исключить, если использовать фазовую коррекцию с дополнительным углом сдвига . Для этого производится дифференцирование воспроизведенного сигнала. Благодаря двойному дифференцированию фазовый угол между входным и выходным сигналами становится равным . При такой фазовой коррекции моменты перехода через нуль входных и выходных сигналов совпадают (рис.21, низ).
Есть еще один важный фактор. Идеализированная головка воспроизведения имеет АЧХ в виде прямой линии с наклоном +6 дБ/октаву, поэтому при аналоговой записи приходится вводить коррекцию для выравнивания частотной характеристики в области низких частот. Из-за дифференцирования воспроизводимого сигнала происходит спад АЧХ в области низких частот, поэтому низкочастотная коррекция АЧХ тракта воспроизведения в цифровых магнитофонах не нужна (рис.22).

Рис.22. Амплитудно-частотная коррекция в цифровых магнитофонах (1- АЧХ идеализированной головки воспроизведения, 2-АЧХ головки воспроизведения с учетом волновых потерь, 3- АЧХ головки воспроизведения после амплитуд-но-частотной коррекции)
При воспроизведении цифровой записи возникают все виды волновых потерь, как и в случае аналоговой записи. Физическая природа их возникновения одна и та же, поэтому они описываются формулами, приведенными ранее в разд.2. В отличие от аналоговой записи здесь важно иметь в виду, что частотные и фазовые искажения при цифровой звукозаписи никакого влияния на частотную характеристику звукового тракта не оказывают. Они вызывают возникновение межсимвольной интерференции, смещения моментов перехода выходного сигнала через нулевое значение и приводят к кодовым ошибкам. Чем больше частотные и фазовые искажения в цифровом тракте, тем больше джиттер в виде дрожания фронтов импульсов и, следовательно, больше вероятность возникновения кодовых ошибок, вызывающие трески. Когда амплитуда джиттера превышает половину окна детектирования канального кода, декодирование становится невозможным. Поэтому, как и в аналоговых магнитофонах, волновые потери и фазовые искажения надо компенсировать с помощью коррекции.
При воспроизведении цифровой звукозаписи характеристические импульсы можно аппроксимировать различными функциями. Если
для аппроксимации удобно использовать функцию Гаусса
(40)
Если а>2δ, то лучше подходить функция вида
(41)
где А – амплитуда импульса, - длительность входного импульса. При повышении плотности записи возникает перекрытие соседних характеристических импульсов, которое часто называют межсимвольной интерференцией. Оно происходит из-за того, что в те моменты времени, когда еще существует отрицательный импульс, возникает положительный импульс от следующего перехода намагниченности. В результате происходит линейная суперпозиция импульсов, которая приводит к изменению момента перехода выходного сигнала через нулевое значение (рис.23).
В результате длительности выходных импульсов в усилителе-ограничителе восстанавливаются неправильно и в канальном коде возникают кодовые ошибки.
Для уменьшения межсимвольной интерференции необходимо вводить частотную коррекцию волновых потерь таким образом, чтобы в области

Рис.23 Межсимвольная интерференция при воспроизведении цифровой записи
высоких частот суммарная АЧХ головки воспроизведения была близка к АЧХ идеализированной ГВ с наклоном +6 дБ (рис.22). Надо также ограничить верхнюю границу полосы пропускания частотой F_o, при которой щелевая функция имеет первый минимум. Уменьшить межсимвольную интерференцию можно, используя более совершенные канальные коды.
Этот стандарт записи был предложен фирмой Sony и раньше он назывался R-DAT (Rotary Head Audio Tape Recorder – цифровая звукозапись на ленте с помощью вращающейся головки). В магнитофонах этой системы стереофоническая запись производится с мультиплексированием двух звуковых каналов на медленно движущийся ленточный НЗ. В них обычно используются 2 вращающихся универсальных головки, поэтому магнитофоны этой системы могут работать только в режиме записи или воспроизведения. Запись производится на ленте шириной 3,81 мм и толщиной 13 мкм, находящейся в кассете размером 75 x 54 x 10,5 мм. При ускорен-ной перемотке этой ленты скорость ее движения увеличивается в 200 раз.



Рис.24. Формат DAT записи на ленту
По краям ленты имеются 2дополнительные аналоговые звуковые дорожки (2). Цифровая звукозапись осуществляется в центральной зоне 3 виде наклонных дорожек. На рисунке 24 направления движения ленты и записи дорожек указаны стрелками. Дорожки на ленте расположены с наклоном в направлении движения ленты без промежутков, такая запись называется наклонно-строчечной (рис.24).
Ширина полюсного наконечника головки существенно больше ширины дорожки (табл.7), поэтому запись дорожек производится со значительным наложением. Запись без промежутков между дорожками возможна благодаря тому, что зазоры головок имеют противоположные наклоны относительно перпендикуляра к направлению записи. Одна имеет наклон +20⁰, а другая –20⁰. Это исключает помехи от наложения дорожек.
Каждая дорожка имеет длину 23,5 мм и содержит информацию о звуке, служебную информацию и специально записанный сигнал с частотой 130 Кгц для обеспечения работ системы слежения за дорожкой при воспроизведении. Вся эта информация размещена в 5 зонах дорожки. Каждая дорожка содержит 196 блоков данных и в каждом блоке по 288 бит, всего на каждой дорожке 56448 бит.
В магнитофонах этой системы предусматриваются 6 форматов записи.
В табл.7 приведены некоторые характеристики только основного формата .

Таблица 7

Наименование параметра	Значение параметра
Частота дискретизации, кГц	48
Число разрядов на отсчет	16
Длина дорожки, мм	23,5
Ширина полюсного наконечника головки, мкм	20,41
Ширина дорожки, мкм	13,591
Общий коэффициент избыточности кода	1,6
Число бит данных на дорожке	56448
Время записи одной дорожки, мс	7,5
Скорость цифрового потока vД, Мбит/с	2,46
Скорость записи, м/с	3,133
Скорость движения ленты, мм/с	8,1
Время записи кассеты, мин	120

Обе универсальные головки записи-воспроизведения имеют рабочий зазор шириной 0,25…0,3 мкм, поэтому при скорости записи 3 м/с частота среза Головки укреплены на барабане диаметром 30 мм под углом 180^о (рис.25), скорость вращения барабана 2000 об/мин. Магнитная лента прижимается к барабану в пределах угла 90^о. Блок головок устроен так, что за время одного оборота барабана равного 30 мс, 50 % времени ни одна из головок А и В не касается магнитной ленты (рис.25). Контакт одной из головок с магнитной лентой происходит через каждые 15 мс. Длительность контакта равна времени записи одной дорожки 7,5 мс. Так как на каждой дорожке должны быть записаны 56448 бит, для этого необходима скорость цифрового потока 7,52 Мбит/с. Поэтому коэффициент трансформации скорости равен 3.



Рис.25. Функциональная схема цифрового тракта магнитофона системы DAT в режиме записи (А,В – магнитные головки, СК- скользящие контакты головок)
Функциональные схемы магнитофонов системы DAT, выпускаемые различными фирмами, существенно отличаются. На рис.25 приведена наиболее простая функциональная схема цифрового тракта магнитофона. В ней в режиме записи на вход оперативного запоминающего устройства ОЗУ-0 подается мультиплексированный стереофонический сигнал в виде единого цифрового потока с удвоенной частотой дискретизации. С ОЗУ–0 данные одной дорожки поочередно считываются в ОЗУ-1 и ОЗУ-2 емкостью 64 кбайт каждое. При этом осуществляется необходимое временное сжатие цифрового потока за счет повышения скорости считывания в 3 раза по сравнению со скоростью записи данных в ОЗУ. Функции помехоустойчивого и канального кодирования выполняются специальным процессором (кодеком), который может выполнять и декодирование. Данные, подлежащие кодированию, считываются из ОЗУ-1 или ОЗУ-2, в кодеке производится помехоустойчивое и канальное кодирование. Сигналы в канальном коде возвращаются обратно в ОЗУ.
Запись сигналов с ОЗУ на магнитную ленту производится головками поочередно в канальном коде через усилители записи УЗ. Кодирование производятся, когда ни одна головка не находится в контакте с НЗ. Ввод входных данных в одно из ОЗУ производится в то время, когда из другого ОЗУ производится запись. Каждая из этих операция длится также по 7,5 мс.
В режиме воспроизведения в приведенной схеме заменяются усилители записи усилителями воспроизведения. Воспроизведение цифровой записи производится поочередно головками А и В и воспроизведенные цифровые сигналы через усилители воспроизведения подаются на ОЗУ-1 и ОЗУ-2. Канальное и помехоустойчивое декодирование осуществляется в кодеке. В этом режиме с ОЗУ-0 выдается непрерывный декодированный поток звукоданных. Данные табл.8 поясняют процессы записи и воспроизведения.
Таблица 8

Номер ОЗУ	Длительность операции, мс
	7,5	7,5	7,5	7,5
	Есть контакт ленты с голов- кой А	нет контакта ленты с головками А и В	Есть контакт ленты с головкой В	нет контакта ленты с с головками А и В
ОЗУ-1	запись		ввод с АЦП	кодирование
ОЗУ-2	ввод с АЦП	кодирование	запись
ОЗУ-1	считывание	декодирование	вывод на ЦАП
ОЗУ-2	вывод на ЦАП		считывание	декодирование

В магнитофонах системы DAT используется канальный код (8,10), его основные характеристики приведены в табл.9.
Таблица 9

Параметры канального кода	Значения па- раметра
канальный код (g, k, m, n)	(0, 3, 8, 10)
коэффициент трансформации цифрового потока Ктр	3
скорость цифрового потока vд, Мбит/с	7,5264
тактовая частота канального кода f тк, МГц	9,408
период тактовой частоты Т к, нс	106,4
окно детектирования (Tw), нс	106,4
число кодовых интервалов по длительности	4
дискретность изменения интервалов, нс	106,4
минимальный временной интервал (Т мин), нс	106,4
максимальный временной интервал (Т макс), нс	425,6
максимальная частота спектра, МГц	4,7
минимальная частота спектра, МГц	2,35
коэффициент плотности канального кода КD	0,8
линейная плотность записи, бит/мм	1924
минимальная длина волны записи, мкм	0,67
коэффициент самосинхронизации	4

Для того чтобы длительности временных интервалов на стыках канальных символов не отличались от заданных значений, в коде (8,10) используются 2 таблицы кодирования. Это значит, что одной входной кодовой комбинации в канальном коде могут соответствовать две. Одна таблица используется, когда предыдущий канальный символ заканчивался «0», а другая – на «1».
В качестве корректирующего кода в магнитофонах системы DAT используется код-произведение. Внешний код РС (32,28), внутренний–код РС (32,26). 128 блоков организованы в матрицу. В столбцах вычисляются по 4 проверочных символа, а в строках – по 6. При кодировании используется межблочное перемежение с интервалом 4 блока, внутриблочное перемежение и межстрочное перемежение выборок левого и правого звуковых каналов.
Код обеспечивает исправление ошибочных символов с их вероятностью на входе декодера от 10 ^–1 до 10 ^–3. При вероятности ошибочных символов на входе декодера W _s = 10 ^–3 их вероятность на выходе декодера не превышает 10^–33. Вероятность не обнаружения случайных ошибок W_нs очень мала и определяется равенством W_нs = 7 10 ^{- 6} W ⁵_s . Код позволяет полностью исправлять выпадения сигнала длиной 2,64 мм и маскировать с помощью интерполяции выпадения длиной 8,9 мм.
Магнитофоны системы DAT могут быть студийными, репортерскими и бытовыми, при этом они существенно отличаются по характеристикам и техническим возможностям. Студийные магнитофоны фирмы Sony PCM R- 300, R-500 и R-700 имеют 20-ти разрядное кодирование. Магнитофоны PCM 7000 и 7040 имеют 4 головки и поэтому обеспечивают воспроизведение во время записи.
Фирма TASCAM также выпускает магнитофоны этой системы: модели DA(30, 40 и 45HR). Последняя модель имеет 24 разрядное кодирование и удвоенную скорость движения ленты (16,3 мм/с). Магнитофон модели
DA-60MKII является репортерским.

5.