Министерство образования Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Системы записи и воспроизведения информации

НОВОСИБИРСК 2000

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ------------------------------------------------------------------------------------4

1. СИСТЕМА МЕХАНИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ------7

2. МИКРОФОНЫ И ЗВУКОСНИМАТЕЛИ-------------------------------------------16

3. МАГНИТНАЯ ЗАПИСЬ СИЕН АЛОВ-----------------------------------------------22

4. ПРОЦЕСС ЗАПИСИ НА МАГНИТНЫЙ НОСИТЕЛЬ-------------------------29

5. КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ МАГНИТОФОНОВ----------------------41

6. ЛЕНТОПРОТЯЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ----------------------------------------------43

7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ---------------------------------------------------------------54

.

ВВЕДЕНИЕ

В современных системах передачи и обработки информации важную роль играют различные устройства для записи, хранения и воспроизведения сигналов, несущих в себе информацию.

В процессе записи изменяющиеся во времени сигналы преобразуются в пространственные изменения состояния носителя записи, в результате чего образуется сигналограмма. Носители могут быть самые разные (перфокарты, перфоленты, магнитные ленты, пластмассовые или металлические диски, цифровая «память» на больших интегральных схемах и т.п.). Изменение со­стояния носителя информации в процессе записи также может быть самым различным. Например, могут изменяться геометрические (рельефные) пара­метры носителя, проявляющиеся в виде нанесенной дорожки (выемки) либо в виде отверстий в перфокарте (перфоленте). В магнитных носителях изменя­ется намагниченность отдельных участков ленты (диска), что легко обнару­живается при воспроизведении сигнала специальными воспроизводящими магнитными головками.

Запись сигналов используется в самых различных случаях. Отметим ос­новные из них.

1. Накопление информации с целью последующего воспроизведения в прежнем масштабе времени.

2. Накопление информации при отсутствии постоянного канала связи с последующей передачей в ускоренном темпе.

1. Согласование каналов связи разной пропускной способности.

2. Запись с целью многократной обработки (обычно в научных целях).

3. Контроль и документирование (например, записывающие устройства так называемых «черных ящиков» самолетов).

3. Бытовая аудио- и видеозапись.

4. Автоответчики выдачи справок по телефону и т. п.

5. Запоминание информации в ЦВМ.

6. Создание архивов данных.

Системой записи сигналов называется совокупность различных спосо­бов записи, имеющих общую сущность основных физических процессов. По такому классификационному признаку можно выделить следующие наиболее часто встречающиеся системы записи сигналов.

4

1. Механическая система. Ее отличительной особенностью является то, что в процессе нанесения сигналограммы носитель подвергается механиче­скому воздействию специальными резцами (либо иным способом). В резуль­тате такого воздействия на носителе (обычно дисковом) остается рельефный след. Самым типичным представителем механической системы записи явля­ется электрофон с граммофонной пластинкой.

2. Магнитная система. Основным физическим процессом, определяю­щим название данной системы, является процесс намагничивания отдельных участков носителя, покрытого тонким слоем магнитного материала. При этом интенсивность и полярность намагничивания соответствюет записываемому сигналу. Эта система включает в себя большое разнообразие устройств маг­нитной записи, используемых как для бытовых целей, так и в вычислительной и иной специальной технике. Типичным представителем магнитной системы записи является магнитофон.

3. Оптическая система. Все устройства данной системы объединены тем обстоятельством, что на носитель записи производится воздействие сфокуси­рованным специальными объективами мощным лазерным лучом, который из­меняет либо коэффициент отражения носителя, либо его прозрачность. С по­мощью луча лазера меньшей мощности и фотоприемника эта информация может быть прочитана и восстановлена. Самым распространенным предста­вителем такой системы является проигрыватель лазерных компакт-дисков. Устройства данной системы используются также в вычислительной технике и для записи видеопрограмм. Эта система записи является в настоящее время наиболее интенсивно развивающейся и перспективной в силу высоких качест­венных показателей устройств, выполненных на ее основе.

4. Фотографическая система. Основой физических процессов, исполь­ зуемой в устройствах фотографической записи информации, является чувст­ вительность некоторых химических веществ к свету. Из таких веществ наибо­ лее распространенным является азотнокислое серебро. Под воздействием све­ та в кристаллах азотнокислого серебра происходит скрытое (невидимое) из­ менение, которое может храниться в таком виде долгое время и превращается в видимое изображение в процессе химической реакции проявления. При этом выделяется чистое атомарное серебро, дающее на пленке (пластинке, бумаге) черный цвет. В цветных фоточувствительных материалах имеется три свето­ чувствительных слоя (к красным, зеленым и синим лучам) и соответственно в процессе проявления образуются красители, а серебро удаляется специаль­ ными химическими растворами. При этом на пленке остается чисто цветное изображение в дополнительных цветах (негатив). Затем повторной засветкой другой пленки и проявлением получают позитивное окончательное изображе­ ние. Наиболее типичным представителем фотографической системы записи информации является кино. На кинопленке содержится как визуальная ин­ формация в виде отдельных кадров изображения, так и звуковое сопровожде­ ние в виде специальной звуковой дорожки.

Кроме важнейшего классификационного признака, рассмотренного вы­ше, существуют и другие признаки, отличающие друг от друга различные

5

устройства для записи и воспроизведения информации. Рассмотрим один из них, наиболее важный. Речь идет об аналоговых и цифровых устройствах записи. В аналоговых устройствах изменение физических параметров носите­ля информации происходит по закону, определяемому формой записываемого сигнала. Можно сказать, что состояние носителя записи как бы «копирует» закон изменения копируемого сигнала. Так, на грампластинке можно бук­вально видеть звуковую дорожку, вырезанную резцом по закону звукового сигнала.

В цифровых устройствах записи сигналов на носитель наносится им­пульсная последовательность, полученная путем сложного преобразования исходного сигнала в последовательность «нулей» и «единиц». При этом кроме самого исходного сигнала в этой цифровой последовательности содержится дополнительная информация, вводимая туда по определенным алгоритмам с целью повышения помехозащищенности. Прочесть и восстановить инфор­мацию можно только на специальной аппаратуре, которая намного сложнее и дороже соответствующей аппаратуры аналоговой записи.

Независимо от классификационных признаков любое устройство записи и воспроизведения можно отобразить функциональной схемой, показанной на рис. 1.

Информация от источника поступает на преобразователь Пр. 1. Пусть,

Рис 1.

например, имеется в виду аналоговый звуковой магнитофон. Тогда на преоб­разователь Пр. 1 поступает звук в виде акустических волн, а сам преобразова­тель - обычный микрофон. Он преобразует сигналы звукового давления в электрические сигналы (напряжение), которые поступают на преобразова­тель Пр. 2. Данный преобразователь преобразует сигнал (напряжение) в пара-

метр 1 (магнитный поток в головке записи), и данный поток намагничивает носитель (магнитную пленку). На этом заканчивается процесс записи. При воспроизведении параметр 2 (магнитный поток в элементе носителя) преобра­зуется воспроизводящей головкой Пр. 3 в сигнал (напряжение или ток), кото­рый через устройство отображения (усилитель плюс акустическая система) поступает в виде звуковых волн к слушателю (потребителю).

Разновидность систем и устройств записи - воспроизведения в схеме рис. 1 будет отображаться на физическом содержании каждого элемента схемы. На­пример, может быть другой носитель (не магнитный), могут быть другие пре­образователи, но структура в целом останется той же самой.

В настоящей работе, являющейся первой частью конспекта лекций по курсу «Системы записи и воспроизведения информации», рассматриваются (в формулировках перечисленных выше классификационных признаков), ме­ханические и магнитные устройства записи, причем только аналоговые.

В части два конспекта лекций предполагается рассмотреть устройства видеозаписи, цифровые магнитные и оптические системы записи и воспроиз­ведения информации.

1. Система механической записи и воспроизведения

1.1. Грампластинки

Первой информацией, которую удалось записать с последующим воспро­изведением, была звуковая. Несмотря на наличие книгопечати и нотной гра­моты для записи музыки, желание услышать запечатленный ранее звук давно будоражило техническую мысль изобретателей. Но лишь в 1877 году фран­цузский инженер Ш. Кро запатентовал идею механической записи звука на вращающийся диск с последующим его воспроизведением. Первый практиче­ски работающий аппарат-фонограф был разработан и изготовлен американ­ским изобретателем Эдисоном в том же 1877 году. Вместо диска здесь ис­пользовался барабан, обвернутый оловянной фольгой. Другим отличием от идеи Ш. Кро было то, что фонограмма наносилась не поперечным царапаньем по поверхности диска, а выдавливанием по радиусу барабана. В течение 11 лет было разработано много различных конструкций, использующих для нанесения фонограммы валики или барабаны. Однако все они имели один очень серьезный недостаток: сложность массового тиражирования, отчего так и не нашли широкого распространения.

Первая граммофонная пластинка, очень напоминающая современную, появилась в 1888 году. Ее изготовил Берлинер в виде диска из целлулоида, ко­торый им же в 1986 году был заменен пластмассой из шеллака, шпата и сажи. Глубинная запись была отвергнута и осталась только поперечная. Если не считать произошедшего за сто лет снижения скорости вращения пластинок,

6

7

использования иных пластмасс и стереофонических записей, то, в сущности, пластинка Берлинера работает до сих пор. На рис. 2 показан фрагмент сечения граммофонной пластинки.

Рис. 2

На рис. 2 обозначено: т - шаг звуковой дорожки; а - ширина звуковой канавки; Ъ - поле звуковой дорожки; у - угол раскрытия канавки; h - глубина канавки.

Отметим достоинства грамзаписи, обеспечивающие ей такую долгую жизнь:

1. высокая производительность массового тиражирования;

2. надежность хранения оригинала в металлических дисках;

3. легкость перехода при проигрывании с одного участка пластинки на любой другой;

4) простота и сравнительная дешевизна проигрывающей аппаратуры. Вместе с тем грамзапись не лишена и недостатков. Основные из них:

1. быстрый износ фонограмм;

2. невозможность стирания и перезаписи;

3. невозможность монтажа фонограмм;

4. трудность осуществления записи в домашних условиях, например, по сравнению с магнитофоном.

До 1924 года запись велась исключительно акустическим способом, т.е. для перемещения записывающего резца (иглы) использовалась напрямую энергия звуковых волн. Записи были очень некачественными, полоса записы­ваемых частот - в пределах 150...4000 Гц. Наблюдались значительные нели­нейные искажения из-за явлений механических резонансов и перегрузок..

После 1924 года для записи стали использовать микрофоны с последую­щим усилением сигнала электронными усилителями. Полоса частот расшири­лась (50... 10000 Гц), резко снизились нелинейные и частотные искажения.

В последующие десятилетия, вплоть до сегодняшних дней, в грамзаписи были введены две существенные новые идеи, улучшающие технические ха­рактеристики, но не отвергающие общих принципов грамзаписи:

• стерео и квадрофония;

• переменный шаг записи в «долгопроигрывающих» пластинках.

Переменный шаг записи

Идея переменного шага звуковой дорожки (рис. 2) проста и понятна: уменьшить площадь пластинки, на которой не записана информация (свобод­ное поле «b»). В пластинках с постоянным шагом записи величина т постоян­на и не зависит от громкости звучания. Она рассчитана так, чтобы при макси­мальной амплитуде колебаний записывающего резца дорожки не перекрыва­лись, для чего и нужно пустое пространство «6» на пластинке. Но тогда при средней и малой громкости получаются большие пустые пробелы, и площадь пластинки используется неэффективно.

Переменный шаг записи был запатентован английской фирмой «Колум­бия» в 1930 году, но до практической реализации дело дошло лишь в 1952 году. При этом эффективность использования площади пластинки возросла при­мерно на 25 %.

Достигается это тем, что на двигатель, перемещающий каретку записы­вающего резца по радиусу диска, подается сумма напряжений: начального на­пряжения от источника питания U₁ и напряжения U₂, получаемого путем уси­ления напряжения с магнитной головки Г₁ (рис. 3).

Рис. 3

В нижней части рисунка показан условно магнитофон, с которого считы-вается фонограмма на грамзапись. С головки Г₂ сигнал через усилитель по­ступает на вибратор резца. С головки Г₁ сигнал берется с упреждением по времени за счет длины участка ленты l. Обычно упреждение составляет от 0,5 до 1,0 оборота диска.

При слабом сигнале фонограммы напряжение U₂, мало и питание двига­теля 3 напряжением U₁ дает малое значение шага звуковой дорожки. Если громкость фонограммы возрастает, то первой это зафиксирует головка Г₁ и до прихода этого фрагмента фонограммы до головки записи Г₂ двигатель 3 через

8

9

редуктор 2 успеет развести дорожки на большее расстояние. При снижении громкости сигнал U₂ уменьшится и шаг дорожки вновь сократится.

Внедрение этого способа экономии площади пластинок произошло с по­явлением так называемых «долгоиграющих» пластинок, когда появилась по­требность довести время звучания до 25...30 минут. В СССР и России пла­стинки с переменным шагом дорожки выпускаются с 1956 года.

1.2. СТЕРЕОФОНИЧЕСКИЕ ГРАМПЛАСТИНКИ

В разное время различными фирмами грамзаписи прорабатывались три идеи технической реализации стереозаписи.

1. Запись левого и правого каналов по двум независимым канавкам на разных сторонах пластинки.

2. Запись в одной канавке с механическими способами разделения ка­налов:

а) один канал пишется за счет глубинного перемещения резца, другой - за счет поперечного;

б) один канал пишется на одной стороне канавки, а второй на другой. При этом канавки имеют угол раскрытия 90 градусов.

3. Запись в одной канавке с частотным разделением каналов (0...12 кГц) и (13...25 кГц).

В результате наилучшим оказался вариант 2б, где обеспечивалась со­вместимость проигрывания как моно, так и стереопластинок, не требовалось усложнения механической и электрической части проигрывателя.

Для обеспечения развязки между каналами записывающий резец и вос­производящая игла должны двигаться так, чтобы смещение их по левому и правому каналам происходило под углом 90 градусов (рис. 4).

■

Рис. 4

1.3. КВАДРОФОНИЧЕСКИЕ ГРАМПЛАСТИНКИ

Основная цель разработчиков квадрофонической записи на грампластин­ку - улучшить качество воспроизведения, приблизив звучание к натуральному звучанию в концертном зале. Квадро - значит четыре. При этом запись ведет­ся с четырех микрофонов, расположенных как бы «вокруг» слушателя. Соот­ветственно располагаются и акустические системы при воспроизведении, (рис. 5).

Рис. 5

На рис. 5 обозначено: L_F и R_F- передние левый и правый каналы;

L_B и R_B- задние левый и правый каналы.

Если проблема записи четырех независимых каналов в магнитофоне ре­шается просто (четыре дорожки на ленте), то в грампластинке это представля­ет большие сложности. После многолетних работ в этой области более жизне­способными оказались две системы записи: CD - 4 и SQ. Обе эти системы смогли выдержать конкурентную борьбу только потому, что их разработчи­кам удалось разместить информацию от четырех каналов в одной звуковой канавке (как в стереопластинках).

Система CD — 4 разработана японской фирмой JVC в 1970 году. Здесь ис­пользована идея разделения канавок под углом 90 градусов, как в стереопла­стинках, но на каждой стороне канавки записывается два сигнала: один - на звуковых частотах, другой - на поднесущей частоте, т.е. с гетеродинировани-ем вверх. Спектральная характеристика записываемых сигналов на одной сто­роне звуковой канавки приведена на рис. 6.

Достоинством такой системы является хорошее разделение всех четырех каналов (развязка не хуже, чем в стереопластинках). Недостатками являются высокие требования к звукоснимателям (диапазон воспроизведения частот от 20 Гц до 45 кГц) и усложненной схемой обработки сигнала после звукоснима-

10

11

Система SQ разработана фирмой CBS (США) в 1971 году. Существенным отличием от системы CD - 4 является то, что диапазон записываемых частот не выходит за рамки звуковых, запись производится на две стороны звуковой канавки, как в стереопластинках, но сигнал, подающийся на запись, формиру­ется по следующему алгоритму:

Здесь L и R ~ сигналы, записываемые на левую и правую стороны звуковой канавки; L_b, R_b, L_F, R_F - по обозначениям рис. 5.

Алгоритмы (1) реализуются кодирующей матрицей рис. 7,а. Восстанов­ление сигналов четырех каналов при воспроизведении квадрозаписи осущест­вляется с помощью декодирующей матрицы рис. 7,6.