В.А. Олейников

Устройства записи и воспроизведения информации

Лабораторный практикум

Состовители: Олейников В.А.

УДК 621.38, 681.3.06

Устройства записи и воспроизведения информации:

Лабораторный практикум/Самар. гос.техн. ун-т;

Сост. В..А.Олейников.Самара.2012, 224 с.

Изложены основы построения устройств записи и воспроизведения информации, а так же основы расчёта и методы экспериментального олределения влияния конечных размеров головки воспроизведения, дефектов рабочего зазора и неточности установки головки на амплитудно-волновую характеристику тракта записи-воспроизведения аппарата магнитной записи. Кроме того рассматривается работа с жёсткими дисками в различных операционныхсистемах.

Лабораторный практикум рассчитан на студентов специальности 210303 и других родственных специальностей.

Ил. 55. Табл.:4. Библиогр.:23.

Печатается по решению реакционно-изательского совета СамГТУ.

Общее теоретическое введение к практикуму.

Современные системы передачи и обработки информации представляют собой сложные радиотехнические комплексы, в состав которых во многих случаях входят аппараты магнитной записи (АМЗ), осуществляющие запись и воспроизведение сигналов информации [1]..

При записи изменяющиеся во времени сигналы преобразуются в пространственные изменения состояния носителя записи, в результате чего создается сигналограмма. Воспроизведение—это процесс получения информации от сигналограммы. Для осуществления записи АМЗ имеют канал записи, а для воспроизведения— канал воспроизведения. Аппараты, предназначенные для одновременной записи (воспроизведения) нескольких различных сигналов, называются многоканальными. Большинство современных АМЗ является многоканальным. Они получили широкое распространение в радиовещании, системах связи и телеметрии, применяются в медицине, биологии, при научных исследованиях, в системах автоматики и управления, входят в состав ЭВМ.

Аппаратами магнитной записи обеспечивается:

1. Накопление информации с целью ее последующего воспроизведения в реальном масштабе времени. Характерными АМЗ этого типа являются магнитофоны (аппараты, предназначенные для записи звука) и видеомагнитофоны (для записи звука и изображения), широко используемые в звуковом и телевизионном вещании. Запись сигналов вещания позволяет сохранять выступления выдающихся общественных деятелей, а также лучшие образцы исполнительского мастерства, поскольку фонограммы и видеограммы (сигналограммы при звуко- и видеозаписи) могут воспроизводиться многократно без заметного ухудшения качества.

В процессе создания вещательных передач частично используются заранее записанные программы, что значительно упрощает и ускоряет этот процесс. При предварительной записи программ исполнители не связаны с необходимостью находиться в студии в момент передачи. Это особенно важно в условиях вещания из Москвы на районы Сибири и Дальнего Востока, удаленные от Москвы на несколько часовых поясов, а также при вещании на зарубежные страны. Применение записи резко повышает качество передаваемых программ, поскольку программы, записанные на магнитную ленту, могут быть заранее, до передачи в эфир, прослушаны (просмотрены), а дефекты исполнения устранены. Поэтому технология звукового и телевизионного вещания включает в себя процесс записи сигналов как один из основных этапов.

2. Накопление информации при отсутствии прямого канала связи между источником информации и получателем. Отсутствие связи может быть вызвано: неисправностью аппаратуры или линии связи; невозможностью организовать прямой канал передачи на разветвленной сети, отдельные участки которой работают по расписанию; неблагоприятными условиями распространения радиоволн; возможностью передачи непрерывно поступающей информации только во время сеансов связи и т. д. В этих случаях поступающая информация записывается на магнитную ленту, а затем, во время сеансов связи, воспроизводится и передается на приемную станцию. Характерными АМЗ, предназначенными для накопления информации при отсутствии постоянно действующих каналов связи между источником информации и ее получателем, являются: аппараты, работающие в системах космической связи и телеметрии; аппараты для телеграфного транзита и переприема фототелеграмм; аппараты, работающие в комплексах сверхдальней связи на УКВ с помощью отражения от метеорных следов.

3. Согласование различных по пропускной способности каналов связи. Если информация поступает в пункт коммутации каналов со скоростью с_вх, а для ее передачи используется канал связи, скорость передачи по которому может быть принята равной с_вых, то для согласования таких каналов по пропускной способности необходимо использовать АМЗ, у которых запись и воспроизведение информации происходят с разными скоростями. При этом скорости воспроизведения (v_в) и записи (v_з) должны выбираться из соотношения v_в/v_з=c_вых/c_вх=k_тр. Число k_тр, показывающее, во сколько раз скорость воспроизведения отличается от скорости записи, называется коэффициентом трансформации спектра. При k_тр>1 спектр воспроизводимого сигнала шире, а при k_тр<<1 уже спектра записываемого. Соответственно в первом случае продолжительность передачи сокращается, во втором — возрастает в k_тр раз.

Трансформацию скорости часто используют для повышения помехозащищенности передачи по каналу связи, поскольку при замедленном воспроизведении уменьшается ширина спектра передаваемого сигнала и для передачи можно использовать более узкополосный канал, в котором мощность шума меньше.

4. Согласование параметров датчиков и устройств обработки информации. В этом случае также используется способность АМЗ изменять временной масштаб сигналов. Так, ускоренное воспроизведение записанных низкочастотных процессов расширяет их спектр и позволяет провести спектральный анализ с помощью реально осуществимых резонаторов.

5. Запись с целью многократной обработки. В ряде случаев, особенно при проведении кратковременных дорогостоящих экспериментов, когда произвести обработку полученных результатов в реальном масштабе времени невозможно, осуществляют запись, а затем многократную обработку сигнала.

6. Контроль и документирование. Если АМЗ предназначены для контроля состояния канала связи, то их включают на входе и выходе канала, а затем путем сравнения переданной и принятой информации судят о состоянии канала. При выполнении АМЗ функции документирования передаваемая информация записывается на ленту, и эта лента может храниться как документ. Особенно широко применяются для документирования АМЗ в системах диспетчерской связи.

7. Бытовая звукозапись и видеозапись. Большое распространение получили АМЗ в быту для звукозаписи. В последнее время появились конструктивно простые видеомагнитофоны, используемые для полупрофессиональных целей и бытовой видеозаписи.

Многообразие применений обусловило, в свою очередь, разнообразие конструкций современных АМЗ. Они могут быть стационарными и переносными, питаться от автономных источников или от сети переменного тока, в них могут использоваться носители записи разных типов и размеров, различная элементная база.

Для того, чтобы обеспечить возможность записи на одном и воспроизведения на другом АМЗ, имеющем то же назначение, основные параметры современных АМЗ и методы измерений этих параметров стандартизованы.

8. Выдача справок по телефону. Необходимой составной частью всех современных автоматических телефонных станций, городских и междугородных, являются речевые автоинформаторы, т. е. устройства, выдающие абонентам по телефону различные справки о порядке набора номера, изменении нумерации, занятости каналов, текущем времени. На крупных городских телефонных сетях организуются специальные информационно-справочные службы, откуда абоненты по запросу могут получать информацию о погоде, расписании движения поездов, программах театров и кино, наличии товаров в магазинах и т. д.

9.3апоминание информации в ЭВМ и управляющих системах. Наиболее распространенным классом устройств записи информации являются внешние запоминающие устройства ЭВМ, использующие в качестве носителей записи магнитные диски и ленты. Накопители информации на лентах (НМЛ) и дисках (НМД) представляют собой цифровые устройства, осуществляющие запись программ и результатов вычислений, и нередко занимают до 90% всего объема оборудования ЭВМ. Накопители входят в состав управляющих систем электросвязи.

Важной задачей техники записи сигналов является также накопление информации, получаемой в процессе научных исследований, создание архивов данных.

Системы записи сигналов. Системой записи сигналов называют совокупность различных способов записи (имеющих общую сущность основных физических процессов), приводящих к образованию сигналограммы. Применяют магнитную, механическую, фотографическую, оптическую и электростатическую системы записи, что свидетельствует только о том, что ни одной из них нельзя отдать предпочтение по всему комплексу технико-экономических показателей. Технические приемы, используемые для осуществления записи и воспроизведения (способы записи и воспроизведения), могут быть различными. Однако вне зависимости от способа записи устройства записи-воспроизведения содержат головки записи и воспроизведения, носитель записи и движущий механизм.

Принцип записи состоит в том, что в соответствии с записываемым сигналом записывающий элемент изменяет физические характеристики носителя записи, который транспортируется движущим механизмом около записывающего элемента. След, оставляемый записывающим элементом в носителе или на поверхности носителя, называется дорожкой записи.

В процессе записи происходит преобразование изменений сигнала во времени в изменение физических характеристик носителя вдоль дорожки записи. Координата носителя в направлении записи х при этом связана с текущим временем t очевидным соотношением x=vt. При воспроизведении сигналограмма транспортируется около воспроизводящего элемента, преобразующего изменение физического состояния носителя вдоль дорожки в изменение электрического сигнала во времени. Если процессы записи и воспроизведения не вносят искажений, воспроизводимый сигнал совпадает с записываемым.

Одной из основных характеристик любой системы записи, определяющей эффективность использования носителя, является плотность записи. Различают продольную, поперечную, поверхностную и объемную плотности записи.

Продольная плотность записи (р_пр) — это число импульсов, периодов гармонического колебания или бит информации, приходящееся на единицу длины носителя в направлении записи.

Поперечная плотность записи (р_поп) — это число дорожек (строчек) записи, приходящихся на единицу длины носителя в направлении, перпендикулярном направлению записи.

Поверхностная плотность записи (р_пов) — это число импульсов, периодов гармонического колебания или бит информации, приходящееся на единицу поверхности рабочего слоя сигналограммы.

Очевидно, что р_пов=р_прр_поп.

Объемная плотность записи — это число импульсов, периодов гармонического колебания или бит информации, приходящееся на единицу объема сигналограммы.

В зависимости от того, какие единицы измерений использованы для оценки плотности записи,—импульсы, периоды гармонического колебания или биты информации,—плотность записи называют импульсной (имп./мм), волновой (период/мм) или информационной (бит/мм). Волновая плотность характеризует устройства записи аналоговых сигналов, а понятия импульсной и информационной плотностей записи обычно используют в качестве характеристик устройств цифровой записи.

Плотность записи определяет, какое количество носителя необходимо для записи заданной информации. Чем выше плотность записи, тем эффективнее используется носитель, тем меньше требуется места для его хранения и тем меньшими могут быть при прочих равных условиях габаритные размеры записывающего устройства. Поэтому повышение плотности записи является постоянной задачей совершенствования любой системы записи.

Для того чтобы сравнить различные системы записи между собой и определить области, где их применение наиболее целесообразно, рассмотрим принципы реализации разных систем записи.

Механическая запись. Эта система записи получила распространение главным образом для записи звука на грампластинки. Записывающим элементом при грамзаписи является резец, колеблющийся в такт с сигналом. Запись осуществляется на металлический диск, покрытый лаковым рабочим слоем. Резец вырезает в лаковом слое непрерывную спирально расположенную канавку, извилины боковых стенок которой отображают записываемый сигнал. Лаковый диск используют как оригинал для изготовления матрицы — металлического диска с обратным рельефом (канавке соответствует выступ). Затем матрица используется для штамповки грампластинок из специальной пластмассы.

Сигналы, записанные на грампластинки, воспроизводятся с помощью электропроигрывающих устройств (ЭПУ), содержащих звукосниматель и движущий механизм. Звукосниматели преобразуют механические колебания в электрические и бывают магнитными и пьезокерамическими. Движущий механизм предназначен для вращения грампластинки. Механическая запись обеспечивает высокое качество звуковоспроизведения при высокой плотности записи. Электропроигрывающие устройства сравнительно просты и не требуют квалифицированного обслуживания. Процесс изготовления грампластинок в заводских условиях технологически прост, а сами грампластинки сравнительно дешевы. В то же время осуществить механическую запись в домашних условиях чрезвычайно сложно, поэтому в быту прослушиваются грампластинки, изготовленные промышленным способом.

Фотографическая запись. В качестве носителя при фотографической записи используется фотопленка. В процессе записи входной сигнал модулирует ширину (реже световой поток) светового луча, являющегося записывающим элементом. Затем фотопленка подвергается фотохимической обработке—проявлению, промывке, закреплению, сушке. В результате образуется сигналограмма, причем дорожка записи имеет переменную ширину или оптическую плотность. При воспроизведении фотографическая сигналограмма просвечивается узким световым лучом.

Световой поток луча, прошедшего через сигналограмму, зависит от ширины дорожки и поэтому меняется по закону изменения записанного сигнала. Этот луч воздействует на фотоэлемент, ток в цепи которого является выходным сигналом.

При фотографической записи значения поперечной и продольной плотностей записи определяются разрешающей способностью фотослоя и размерами поперечного сечения оптического луча. Значения р_пр и р_поп достигают нескольких сотен периодов на миллиметр и равны между собой.

Достоинствами фотографической записи являются ее видимость, что позволяет достаточно просто осуществлять монтаж, а также возможность копирования с помощью оптической печати, без перезаписи. Существенный недостаток фотографической записи—необходимость фотохимической обработки носителя. Это создает задержку между записью и воспроизведением и определяет сложность технологического процесса. К недостаткам также относятся невозможность стирания и недопустимость повторного использования носителя для записи.

Фотографическая запись применяется главным образом для записи звука в кино, где фотохимическая обработка носителя все равно необходима при проявке киноленты. Кроме того, фотографическая запись используется в голографических ЗУ. В этом случае на носитель записываются не отдельные биты информации, а одновременно целые страницы данных.

В процессе голографической записи луч лазера проходит через транспарант, на который выведена страница данных, а затем фокусируется на фотопластинку с высокой разрешающей способностью. На эту же пластинку фокусируется когерентный с объектным лучом опорный луч лазера. Результат взаимной интерференции этих лучей фиксируется на фотопленке, образуя голограмму. Таким образом, страница данных, содержащая 10⁴ бит информации, может быть записана в виде голограммы диаметром около 1 мм. При воспроизведении на голограмму подается луч лазера под тем же углом, что и на объект при записи, и вновь возникает изображение записанной страницы данных.

Поскольку при голографической записи каждый бит данных распределен по всей поверхности голограммы, этот метод мало чувствителен к локальным механическим повреждениям поверхности носителя или к попаданию на нее частиц пыли.

Оптическая запись. Широкое распространение в последнее время получили лазерные проигрыватели—устройства воспроизведения звуковых сигналов с оптических дисков. В этом случае запись является цифровой, а информация о символах заключена в изменениях глубины канавки. Воспроизведение сигнала осуществляет полупроводниковый лазер, луч которого направлен на дорожку записи и отражается от нее. Система отрегулирована таким образом, что луч лазера сфокусирован на одном из двух возможных уровней глубины канавки. При передаче символа, соответствующего этому уровню, отраженный световой поток, преобразуемый в электрический сигнал, имеет большую величину. При передаче другого символа луч оказывается расфокусированным, отраженный световой поток мал и на выходе устройства воспроизведения напряжение не возникает. Перепад напряжений на выходе оптической воспроизводящей головки и служит информацией о передаче того или иного символа.

В лазерных проигрывателях ширина дорожки записи принципиально ограничивается только диаметром луча лазера. Поэтому поперечная плотность записи в них очень велика.

Запись с оптической воспроизводящей головкой используется также в видеопроигрывателях, запоминающих устройствах ЭВМ, системах архивной памяти с большим объемом запоминаемой информации (свыше 1 Гбайт). В этих ЗУ, называемых оптическими, для повышения плотности записи также используется возможность фокусировки луча лазера в пятно субмикронных размеров. Принцип действия оптических ЗУ состоит в том, что при записи луч лазера, направляемый на носитель записи, изменяет в месте воздействия оптические свойства его поверхности, в частности коэффициент отражения. При воспроизведении луч лазера сканирует поверхность носителя. Записанная информация модулирует интенсивность отраженного луча, поступающего в фотоприемник. На выходе фотоприемника образуется электрический сигнал, отображающий записанную информацию. Наиболее распространенный способ записи в оптических ЗУ—выжигание микроотверстий в тонкой пленке металла (теллура) лучом лазера.

Носитель записи является многослойным, причем коэффициенты отражения от поверхностного и последующего слоев выбираются различными. Поэтому интенсивности луча, отраженного от поверхностного и последующего слоев (в точке, где имеется отверстие), оказываются различными, что и служит информацией о записанном сигнале.

Другой способ записи в оптических ЗУ состоит в формировании на поверхности носителя микро-вздутий (пузырьков). В этом случае, как и в предыдущем, для целей записи используется тепловое действие луча лазера.

Запись в описанных оптических ЗУ является однократной, т. е. повторное использование носителя невозможно. Однако существуют носители, допускающие их повторное использование и называемые реверсивными. В частности, в некоторых таких носителях для записи используется тепловое действие луча лазера. Например, сплав из теллура, селена и сурьмы обладает свойством перехода при нагреве из аморфного состояния в кристаллическое. Нагрев осуществляется лучом лазера, так что это изменение фазового состояния осуществляется в локальной области носителя площадью около 1 мкм².

При воспроизведении используется то обстоятельство, что в кристаллическом состоянии сплав имеет больший коэффициент отражения, чем в аморфном. Поэтому интенсивность луча лазера, отраженного от поверхности такого носителя, несет информацию о записанном сигнале. Другим сплавам, содержащим медь, алюминий, цинк, свойственно реверсивное изменение цвета под воздействием нагрева, что также используется для записи информации.

По сравнению с механической и магнитной записью оптические методы имеют на порядок более высокую поверхностную плотность. Однако из-за необходимости фокусировки луча используемые носители могут иметь только форму дисков. Носители при реверсивной оптической записи содержат редкоземельные элементы, запасы которых ограничены, а технология изготовления дисков весьма сложна. Поэтому носители записи такого типа пока дороги и массового распространения не получили.

Электростатическая запись. Данный вид записи осуществляется на носители, имеющие диэлектрическое или фотополупроводниковое покрытие.

В первом случае запись электрических импульсных сигналов осуществляется иглами, на которые в момент записи подается напряжение 800...1000 В. Электрические заряды, стекающие с игл, создают на носителе потенциальный рельеф, который может быть визуализирован с помощью специального порошка.

Во втором случае для записи изображения фотополупроводниковые слои вначале делают светочувствительными, заряжая их в темноте. Затем на фотополупроводниковый слой проецируется записываемое изображение. На освещенных участках происходит стекание зарядов, в результате чего на носителе, как и при записи иглами, образуется невидимый потенциальный рельеф. Изображение проявляется порошком, после чего оно может быть перенесено на бумагу и зафиксировано на ней с помощью нагревания. Проявление, печать и фиксирование изображения на бумаге могут производиться несколько раз, что дает возможность осуществлять тиражирование оттисков с одной сигналограммы. Носитель электростатической записи не теряет своих свойств в процессе работы и пригоден для многократного использования. Поэтому электростатическая запись нашла применение в сравнительно недорогих копировальных машинах, а также в устройствах вывода данных из ЭВМ.

Воспроизвести сигнал в электрической форме с электростатической сигналограммы можно оптическим путем, хотя обычно такой метод не применяется. По качественным показателям электростатическая запись уступает оптической. В то же время порошковое проявление значительно проще фотохимического, что определяет большую технологичность электростатической системы записи.

Магнитная запись. Наиболее распространенным типом носителя магнитной записи является лента, состоящая из немагнитной основы, покрытой тонким слоем магнитотвердого материала, способного намагничиваться и сохранять состояние намагниченности. Эта лента транспортируется движущим механизмом около магнитной головки, представляющей собой электромагнитный преобразователь электрического тока в магнитное поле. Колебания электрического тока, происходящие по закону записываемого сигнала, преобразуются в соответствующие изменения напряженности магнитного поля головки, намагничивающего ленту, что приводит к изменению немагниченности ленты по длине. При воспроизведении сигналограмма перемещается около воспроизводящей головки, преобразующей остаточный магнитный поток носителя в электрический сигнал.

Основные достоинства магнитной записи состоят в следующем:

технологичность процесса записи-воспроизведения; для осуществления записи нет необходимости в какой-либо обработке носителя, воспроизведение может осуществляться сразу же после записи;

дешевизна носителя, отсутствие в его составе каких-либо дефицитных или дорогостоящих материалов;

простота обращения с носителем, возможность применения носителей в форме дисков, лент и др.;

простота записывающих и воспроизводящих устройств; аппараты магнитной записи не содержат оптических устройств, процессы записи и воспроизведения не требуют вакуума, затемнения и т. д.;

возможность многократного использования носителя; однажды сделанная запись может быть стерта, а носитель пригоден для нового использования;

возможность длительного хранения записи без ухудшения ее качества; практически время хранения ограничивается только сроком износа пластмассовой основы ленты и составляет 20 ...25 лет;

стойкость к воздействиям высоких и низких температур, высокой влажности, радиации.

Недостатки магнитной записи:

дорожки магнитной записи невидимы, что затрудняет монтаж;

низкая поперечная плотность записи (в этом магнитная запись уступает оптическим методам более чем на порядок).

Сочетать возможность многократного использования носителя с высокой поперечной плотностью удается при магнитооптической записи. В этом случае в качестве носителя используется аморфная пленка (например, гадолиний-тербий железистый или гадолиний-кобальтовый гранат). Для записи информации используется термомагнитный эффект. На носитель воздействуют одновременно магнитным полем и лучом лазера, который осуществляет локальный нагрев носителя и изменение в точке, на которую воздействует, его магнитных свойств. Напряженность магнитного поля выбирается достаточной для перемагничивания того участка носителя, который нагрет за счет действия лазера, и недостаточной для перемагничивания других участков носителя. Возникшая намагниченность сохраняется и после прекращения действия магнитного поля и тепла.

Таким образом, и здесь результатом записи является создание остаточной намагниченности носителя, но область намагниченности определяется так же, как и при оптической записи, диаметром луча лазера, воздействующего на носитель. В результате ширина дорожки записи в магнитооптике составляет 1...2 мкм, чем и определяется высокая поперечная плотность записи.

Для воспроизведения используется магнитооптический эффект Фарадея, который состоит во вращении плоскости поляризации света при отражении его от намагниченного участка носителя.

В качестве источника, как и при записи, используется лазер. Его луч направляется на носитель, отражаясь от которого попадает через поляроид на фотодетектор. Интенсивность света, попавшего на фотодетектор, зависит от его поляризации и, следовательно, от записанной информации.

Сложность процесса магнитооптической записи-воспроизведения и небольшой магнитооптический эффект (вращение плоскости поляризации у используемых носителей составляет доли градуса) пока не привели к широкому распространению этого способа записи. В то же время достоинства магнитной записи настолько превалирует над ее недостатками, что и при использовании описанных в гл. 2 обычных лент и головок она является наиболее используемой в технике и быту системой записи.