1.2. Преобразование сигнала в процессе записи-воспроизведения

Сигналы, поступающие на вход АМЗ, в процессе записи-воспроизведения подвергаются неоднократным преобразованиям, каждое из которых приводит к искажениям. Чтобы ощенить характер этих искажений, рассмотрим основные этапы преобразований, воспользовавшись для этой цели структурной схемой канала прямой записи-воспроизведения (рис.3).

Усилитель записи усиливает входной сигнал u_вх(t) и создает в обмотке головки записи ток i(t). Обмотка головки имеет активное сопротивление R_г и индуктивность L_г. Сопротивление головки растет с частотой, и во избежание амплитудно-частотных искажений усилитель записи должен иметь внутреннее сопротивление R_i, значительно превышающее индуктивное сопротивление головки на всех частотах рабочего диапазона. Тогда ток записи, а следовательно, и напряженность магнитного поля не будут зависеть от частоты сигнала. Запись — процесс нелинейный, причем степень этой нелинейности зависит от режима намагничивания носителя. Известно несколько способов записи: на размагниченный и намагниченный носители, с подмагничиванием постоянным и переменным полями (токами), с автоподмагничиванием.

Подмагничивание — это воздействие на носитель во время записи вспомогательного магнитного поля для улучшения характеристик процесса записи. Подмагничивание постоянным полем применяют при импульсной записи, а также в некоторые типах диктофонов. В профессиональных и бытовых магнитофонах нашло распространение Подмагничивание высокочастотным переменным полем, которое на ленту не записывается, но улучшает характеристики записи входного сигнала. Режим автоподмагничивания реализуется при записи сложных многочастотных сигналов.

В этом случае специальное поле подмагничивания не создается, но одни составляющие спектра сложных сигналов играют роль подмагничивающих для других. Запись с автоподмагничиванием происходит, в частности, в видеомагнитофонах. Подмагничивание линеаризует характеристики намагничивания носителя, но тем не менее при любом способе записи возникают нелинейные искажения.

Результатом процесса записи является создание остаточного магнитного потока носителя Фr(х). Здесь х — координата носителя в направлении записи х, связанная с текущим временем t соотношением х=v_з, где v_з — скорость записи. Если записывалось гармоническое колебание с частотой f, то в результате записи образуется остаточный магнитный поток

Г де λ— длина волны записи. Длиной волны записи называется расстояние между началом и концом участка дорожки записи, соответствующее одному циклу записанного гармонического колебания. Нелинейность записи приводит к появлению гармоник Фr(х).

Количественно полезный эффект записи оценивается уровнем записи, под которым понимают поток короткого замыкания сигналограммы, т.е. магнитный поток через сердечник воспроизводящей магнитной головки, обладающей магнитным сопротивлением, равным нулю, и находящейся в тесном контакте с поверхностью магнитной сигналограммы. Амплитудные характеристики записи, т.е. зависимости уровня записи от тока (поля) записи называют характеристиками намагничивания. Зависимость уровня записи сигнала от значения тока подмагничивания носит название характеристики подмагничивания.

Нормированное значение уровня записи называется номинальным уровнем. Номинальный уровень определяется при фиксированной длине волны записи, которая обычно задается в середине частотного диапазона записываемого сигнала. Так, при звукозаписи номинальный уровень задается на частоте 1000 Гц при и=38,1 и 19,05 см/с (λ=381 и 190,5 мкм) и 315 Гц при и=9,53 см/с (λ ~300 мкм). По мере снижения длины волны записи из-за влияния различных факторов, связанных с процессом намагничивания, уровень записи уменьшается. Такое уменьшение уровня носит название волновых потерь записи.

При воспроизведении магнитный поток с ленты замыкается через сердечник воспроизводящей головки и наводит в ее обмотке электродвижущую силу. Поле, создаваемое магнитной лентой, весьма мало, и поэтому процесс воспроизведения является линейным. Анализ процесса воспроизведения может быть основан на теории линейных цепей и оказывается сравнительно простым. Из-за линейности процесса при воспроизведении нелинейные искажения не возникают. Зато велики волновые потери, которые описываются волновым коэффициентом передачи K(2π/λ)=К(Ω), показывающим зависимость величины магнитного потока в сердечнике воспроизводящей головки от длины волны записи. Величина Ω=2π/λ0 получила название волновой плотности записи, а искажения, которые зависят от длины волны записанного сигнала, называют волновыми. Различают амплитудно-волновые и фазо-волновые искажения.

П ри воспроизведении носитель перемещается около рабочего зазора воспроизводящей головки с постоянной скоростью Vв. Если Vв=Vз=V, то время записи равно времени воспроизведения. Каждой длине волны записи λ соответствует определенная частота воспроизводимого сигнала fв=Vв/λ. Поэтому волновые потери преобразуются в частотные, а волновой коэффициент передачи заменяется частотным в соответствии с соотношением

Электродвижущая сила воспроизводимого сигнала может быть пропорциональна магнитному потоку в сердечнике, если применяются потокочувствительные воспроизводящие головки, либо скорости изменения потока. Из-за конструктивных сложностей потокочувствительные головки широкого распространения не получили. Индукционные головки применяются практически во всей аппаратуре магнитной записи (см. 1.4).

Нелинейные и волновые искажения сигнала могут быть изучены на статической модели тракта записи-воспроизведения, которая предполагает, что конструктивные параметры тракта в процессе записи-воспроизведения не изменяются. Воспроизводимый сигнал при этом однозначно соответствует записываемому, а искажения сигнала могут быть скомпенсированы.

Однако из-за неоднородности ленты по длине, случайного изменения расстояния между головкой и лентой (неконтакта), динамических перекосов ленты, колебаний скорости и других аналогичных факторов между параметрами записываемых и воспроизводимых сигналов может быть установлена только вероятностная, статистическая связь. Действие указанных нестабильностей на сигналы аналогично действию помех в системах связи, поэтому они рассматриваются как источники помех тракта записи-воспроизведения. Анализ шумов трактов записи и воспроизведения изучают на их динамических (статистических) моделях.

В процессе записи НЗ может намагничиваться вдоль направления записи (продольно) либо под углом 90° к поверхности носителя (перпендикулярно). Характеристики этих способов записи различны из-за влияния процесса саморазмагничивания сигналограммы. Суть этого явления наиболее наглядно может быть проиллюстрирована на основе теории магнитной поляризации тел, согласно которой у намагниченного тела возникают магнитные заряды, величина которых пропорциональна величине приложенного поля Н. Из рис. 1.4 видно, что внутри тела возникает дополнительное поле Нd, направленное против внешнего поля и уменьшающее намагниченность тела.

Рис. .4. Эффект саморазмагничивания

Напряженность поля саморазмагничивания зависит от формы и размеров тела и тем больше, чем меньше отношение длины тела l к его толщине d.

Обратимся к записи сигналов. При продольном намагничивании гармоническим сигналом сигналограмма представляет собой как бы цепочку постоянных магнитов, у которых магнитные заряды на границе имеют одинаковый знак N или S (рис. 1.5). Магнитные моменты элементарных участков сигналограммы направлены встречно, что приводит к ее саморазмагничиванию. Напряженность поля саморазмагничивания растет по мере увеличения отношения d/λ, и в пределе при λ→0 Hd→4πMr, где Mr — остаточная намагниченность носителя. Поскольку уменьшение толщины рабочего слоя носителя связано со снижением уровня воспроизводимого сигнала и ухудшением отношения сигнал-шум, влияние саморазмагничивания при продольном намагничивании приводит к ограничению плотности записи. В современных АМЗ продольная плотность записи составляет около 1500 бит/мм при использовании НЗ с рабочим слоем толщиной 1,5...2 мкм.

При перпендикулярном намагничивании (рис. 1.6) длина образующихся магнитов постоянна для всех длин волн, а отношение λ/d, определяющее напряженность поля саморазмагничивания, уменьшается по мере уменьшения X. В пределе при λ→0 Hd→0. Следовательно, перпендикулярное намагничивание при высоких плотностях записи не связано с заметным саморазмагничиванием НЗ и допускает повышение плотности записи без уменьшения толщины его рабочего слоя. Поэтому перпендикулярное намагничивание находит все большее применение в аппаратах цифровой записи, где его использование позволяет увеличить плотность записи до 8000 бит/мм (λ=0,25 мкм). Носители записи и магнитные головки, используемые при перпендикулярном намагничивании, оказываются более сложными и дорогими, чем при продольном.

Рис. .5. Сигналограмма при продельномнамагничивании гармо-ническим сигналом

Рис. .6. Сигналограмма при перпендикулярном намагничива-нии гармоническим сигналом

1.3. НОСИТЕЛИ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ

В зависимости от назначения в АМЗ применяют носители записи разных типов - ленты, барабаны, диски, проволоку и др. Наибольшее распространение получила магнитная лента, поскольку она компактна, долговечна, проста в обращении. Конструктивно магнитная лента представляет собой не магнитную пластмассовую основу , на которую нанесён рабочий слой из магнитотвёрдого материала. Толщина основы составляет 8...38 мкм, толщина рабочего слоя 1...16 мкм.

В качестве материала основы используют диацетатцелюлозу_, триацетатцелюлозу, поливинилхлорид, полиэтилентерефтолат (лавсан), обладающий наиболее высокими качественными показателями (прочностью, влагостойкостью, теплостойкостью),либо полиимид.

В качестве рабочего клея используется магнитный лак, приготовленный на основе гамма-окисла железа y-FeO₂, феррита кобальта, двуокиси хрома (CrO₂), либо чистое железо (Fe). Магнитный лак состоит из немагнитного связующего вещества, в котором равномерно распределены магнитные частицы размера 0,1...0,5 мкм. Магнитные частицы современных лент занимают 30 - 45% объёма рабочего слоя. Рабочий слой носителей магнитной записи должен обеспечивать создание остаточного магнитного потока

Фr = ₀ (M_r/M_s) M₀ bdF_v

где μ ₀=4*10^-4 -магнитная, постоянная, Mr -максимальная остаточная намагниченность носителя, Ms-намагниченность насыщения носителя, b-ширина дорожки записи, d-толщина рабочего слоя носителя, M₀-намагниченность частиц, F_v - коэффициент объёмного заполнения, показывающий, какую часть рабочего слоя составляет магнитное вещество.

Значение Mr и Ms определяются по петле гистерезиса, характеризующей процесс перемагничивания ферромагнетика

Рис.7. Петля гистерезиса при перемагничивании ферромагнитного материала

Отношение k_п называется коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса. Произведение bd равно площади поперечного сечениярабочего слоя, через которое проходит магнитный поток ленты.

M_r / M_s – коэффициент прямоугольности.

Для повышения продольной плотности записи, как будет показано в гл. 2, необходимо уменьшать толщину рабочего слоя d, а для увеличения поперечной плотности – уменьшать ширину дорожки b. Компенсировать это уменьшение можно увеличением коэффициента прямоугольности, намагниченности частиц M₀ и коэффициента объёмного заполнения F_v. Для гамма-окисла железа и феррита кобальта k_n ~0,5, для двуокиси хрома и чистого железа k_n ~0,9. Значения M₀ составляют у y-Fe₂O₃ и феррита кобальта примерно 400 кА/м, а у чистого железа 1400 кА/м. Ленты, имеющие рабочий слой на основе двуокиси хрома и чистого железа, обладают лучшими характеристиками, чем другие В последнее время появились магнитные ленты с тонким, менее 1 мкм, металлическим рабочим слоем, который наносится на пластмассовую основу напылением в вакууме или гальваническим путём. Широкому распространению детализированных магнитных лент пока препятствует трудность получения однородных по характеристикам отрезков ленты большой длинны.

Лента характеризуется физико-механическими, магнитными в рабочими показателями. Основными физико-механическими свойствами лент являются: нагрузка соответствующая текучести (19...36 Н), относительное удлинение под нагрузкой (при 4 Η 0,06%, при 10 Η до 0,1%), остаточное удлинение после ударной нагрузки (при 4 Η до 0,06%, при 10 Η до 0,1%), агдезионная прочность, тепло- и влагостойкость.

Магнитные свойства лент характеризуются коэрцитивной силой 20…80 кА/м), остаточной намагниченностью (5…10 нВб), намагниченностью насыщения (90 – 120 кА/м), остаточной намагниченностью насыщения (70 – 100 кА/м), относительной начальной магнитной проницаемостью (1,7 – 2,2).

Рабочие характеристики определяются относительно типовой ленты, принятой за образец.

К основным рабочим "характеристикам, применительно к звукозаписи называемым электроакустическими, откосятся:

-относительная чувствительность - отношение в децибелах остаточного магнитного потока на испытуемой ленте при записи сигнала частотой 400 Гц к остаточному потоку на ленте, принятой за типовую,

-неравномерность чувствительности, которая в пределах одного рулона не превышает ±0,6 дБ,

-отношение сигнал-шум, т. е. напряжения максимального воспроизводимого сигнала к напряжению шума ленты, намагниченной постоянным полем. У современных лент отношение сигнал-шум составляет 57...62 дБ;

-отношение сигнал-эхо - не менее 50 дБ;

-коэффициент третьей гармоники - отношение напряжения третьей гармоники воспроизводимого сигнала частотой 400 Гц к напряжению сигнала на выходе усилителя воспроизведения. Коэффициент третьей гармоники составляет 0,5...3%.

Для улучшения характеристик рабочий слой магнитных лент иногда делают многослойным. Так, нижний слой, толщинок около 9 мкм может состоять из порошка Fe₃O₄, а верхний слой толщиной 1 мкм - из y-Fe₂0₃. Нижний слой способствует повышению чувствительности ленты, а верхний – уменьшает уровень помех и улучшает работоспособность ленты в жестких климатических условиях. Трёхслойные ленты содержат у-Fe₂0₃ в нижнем слое, смесь у-Fe₂0₃ и Сг0₂ в среднем слое и модифицированный кобальтом порошок у-Fe₂0₃ в наружном. Некоторые ленты, используемые в аппаратуре точной записи и накопителях ЭВМ, имеют защитное покрытие, предохраняющее рабочий слой от повреждения, и антистатическое покрытие, уменьшающее поверхностное сопротивление основы ленты и снижающее её электризацию в процессе работы (тефлоновое покрытие).

Носители для записи с перпендикулярным намагничиванием имеют рабочий слой из сплава СоСг, кобальта с хромом, который механически прочен, химически устойчив и обладает значительной одноосной магнитокристаллической анизотропией. Рабочий слой наносится на основу в виде плёнки толщиной 0,5 мкм. Плёнка имеет столбчатую структуру, т.е. представляет собой ансамбль плотно упакованных игольчатых частиц, которые расположены перпендикулярно к основе. Кроме рабочего слоя носитель содержит подслой толщиной 0,5 мкм из материала с большой магнитной проницаемостью (пермаллоя), который расположен между основой и рабочим слоем. При записи наличие подслоя уменьшает требуемое значение тока записи, а при воспроизведении повышает отдачу воспроизводящей головки.

Основные параметры магнитных лент для бытовой звукозаписи, технические требования к ним, а также методы испытаний определены стандартом (ГОСТ 239663-86). Наиболее существенные характеристикой агенты является её ширина. В катушечных магнитофонах для звукозаписи используется лента шириной 6,25 мм, в кассетных магнитофонах - лента шириной 3,81 мм. Ленты шириной 50,8; 25,4 и 12,7 мм находят применение в видеомагнитофонах, а две последние также в аппаратуре точной записи.

Кроме ленты распространены магнитные носители в виде дисков и проволоки. Накопители на магнитных, дисках используются в качестве запоминающих устройств (ЗУ) ЭВМ. Достоинством ЗУ на магнитных дисках является малое время доступа к записанной информации, которое составляет 2...30 мс. В аппаратах для записи на ленту время доступа измеряется десятками и даже сотнями секунд. В то же время количество информации, записываемой на один диск, на 2-3 порядка меньше, чем на рулон ленты. Диски бывают двух типов - жёсткие и гибкие. Жёсткие диски используются как носители записи во внешних (ВЗУ) больших ЭВМ. Как правило, ВЗУ содержит пакет дисков, так что общая емкость 3У на НМД достигает 10 Гбайт. Основой жестких дисков служат легкие сплавы на основе алюминия. Гибкие магнитные диски используются в мини- и микроЭВМ. Материалом их основы служит полиэтилентерефтарат либо полиимид.

На магнитную проволоку записываются сигналы в малогабаритных устройствах, например, в диктофонах. Ее толщина составляет 20...30 мкм; Недостатком проволоки по сравнению с лентой является трудность соединения отдельных кусков при разрыве.