2. Цифровые магнитофоны

2.1 Основные положения

Потребность в разработке столь сложного и дорогого устройства, как цифровой магнитофон, возникла при попытке решить целый комплекс проблем, встающих перед разработчиками устройств аналоговой магнитной звукозаписи. Основными из этих проблем являются:

1. Практическая невозможность получения равномерной амплитудно-частотной характеристики в диапазоне частот 20 Гц – 20 кГц, вызванная свойствами магнитных головок;

2. Относительно высокий уровень шумов, свойственный системам аналоговой магнитной записи:(-40 -70) децибел (дБ);

3. Высокий уровень нелинейных искажений, порожденный нелинейностью кривой намагниченности ферромагнитных материалов: (15);

4. Недостаточно высокий динамический диапазон: (5060) дБ.

Несмотря на то, что за многие десятилетия существования магнитной звукозаписи постоянно велись работы по решению этих проблем, в процессе которых удалось существенно повысить качественные показатели систем магнитной записи, полностью решить все эти проблемы не удавалось. При этом борьба за каждый дополнительный децибел или дополнительный процент давались ценой несопоставимо высокого увеличения сложности, массы, габаритов и стоимости аппаратуры. Это не оставляло надежд получить в рамках приемлемых затрат даже профессиональную звукозаписывающую аппаратуру высочайшего качества, не говоря уже о бытовой.

Нужна была революция, новый подход к формированию магнитограммы, который позволил бы выйти на принципиально иной качественный уровень ценой приемлемых затрат. В сущности, подход был не таким уж и новым. К концу 60-х - началу 70 -х годов 20 века, когда начались разработки первых студийных цифровых магнитофонов, уже довольно много лет существовали и успешно работали периферийные устройства ЭЦВМ на магнитных носителях. Оставалось лишь решить ряд проблем, связанных с разработкой лентопротяжных механизмов и магнитных головок, способных обеспечивать запись и достоверное воспроизведение высокоскоростных цифровых потоков в рамках приемлемого расхода магнитной ленты в единицу времени. Разработка цифровых магнитофонов началась в начале 70-х годов 20 века, и к началу 21 века уже имелись не только профессиональные, но и бытовые цифровые магнитофоны как с неподвижными, так и с вращающимися головками.

2.2 Дискретизация и квантование сигналов

Аналоговый, или непрерывный, сигнал может принимать любое значение в пределах динамического диапазона системы записи – воспроизведения. Иначе обстоит дело с цифровыми, или дискретными сигналами. В отличие от аналоговых дискретные сигналы принимают лишь строго определенные значения. Наиболее широко используются цифровые двоичные сигналы, имеющие всего два значения – «есть сигнал», «нет сигнала». Для их обозначения используется двоичный цифровой код, имеющий всего две цифры. Наличие сигнала можно обозначать цифрой 1, отсутствие – цифрой 0. Для этого над непрерывным сигналом необходимо проделать две операции – дискретизацию и квантование. Дискретизация – это отсчет точек непрерывного аналогового сигнала в определенные моменты времени. Число отсчетов в секунду называется частотой дискретизации, которая определяется известной теоремой Котельникова и должна более чем вдвое превышать максимальную частоту в спектре аналогового сигнала. Поскольку человеческое ухо не воспринимает сигналы частотой выше 19 – 20 кГц, в высококлассных системах цифровой записи существуют 2 стандарта на частоту дискретизации – 44,1 кГц и 48 кГц. Для систем с сокращенной полосой пропускания существует частота дискретизации 32 кГц, но при этом в спектре воспроизведенного сигнала не будет частот выше 14 - 15 кГц. Ясно, что такую аппаратуру высококлассной уже называть нельзя, но иногда это делается для сокращения скорости цифрового потока и экономии расхода магнитной ленты.

Каждому отсчету аналогового сигнала, полученному в процессе дискретизации, ставится в соответствие число, характеризующее аналоговый сигнал в этой точке с определенной точностью. Числа эти переводятся в двоичную систему для представления сигнала в цифровом виде, т.е. каждому сигналу ставится в соответствие определенная комбинация нулей и единиц. Точность представления сигнала в таком виде определяется разрядностью аналого – цифровых преобразователей (АЦП), которые и производят эту операцию. Разрядность – это число нулей и единиц (бит) в каждом отсчете. Например, при 16 – разрядном АЦП самый младший разряд будет в 2¹⁶ раз меньше самого старшего разряда, что и определяет как динамический диапазон записываемого сигнала, так и так называемые шумы квантования. Выраженные в децибелах эти величины составляют несколько более 90 дБ, что вполне достаточно для записи и воспроизведения любой музыки, даже симфонической классики. Конечно, было бы неплохо поднять разрядность АЦП до 18, тогда бы и шумы квантования, и динамический диапазон даже теоретически ушли далеко за пределы порога слышимости самого чувствительного человеческого уха (110 дБ). Однако, от этого решили отказаться. Во-первых, уровень шумов –110 дБ все равно не обеспечивают усилители низкой частоты, работающие на акустические системы, а, во – вторых, это неудобно для построения цифровой части магнитофона, компоненты которой по давно сложившейся практике работают с так называемыми байтами, имеющими в своем составе 8 бит (нулей и единиц). 16 – разрядное число очень удобно разбивается на 2 байта, и стандартную элементную базу, используемую в вычислительной технике, легко приспособить для построения цифровой части устройства цифровой магнитной записи, где приходится обрабатывать большие цифровые потоки в реальном масштабе времени. При воспроизведении сигнала цифрового магнитофона производится обратная операция перевода цифрового сигнала в аналоговую форму с помощью так называемых цифро – аналоговых преобразователей (ЦАП), после чего сигнал фильтруется фильтром (ФНЧ) и подается на усилитель воспроизведения аналогового сигнала.

По своим техническим характеристикам устройства цифровой звукозаписи имеют характеристики, несравненно лучшие по сравнению с самым сложным и дорогим аналоговым магнитофоном. В частности:

1. Неравномерность АЧХ в полосе частот 20 Гц  20 кГц практически отсутствует;

2. Динамический диапазон превышает 90 дБ;

3. Коэффициент нелинейных искажений – порядка 0,01, что не только невозможно услышать, но даже достоверно замерить измерительной аппаратурой;

4. Относительный уровень шумов – менее (90 дБ);

5. Копирэффект, переходные помехи между дорожками и детонация полностью отсутствуют.

Вместе с тем, практическая реализация цифровых магнитофонов сталкивается с рядом существенных трудностей, главной из которых является необходимость согласования частотных характеристик тракта записи – воспроизведения с широким спектром цифрового потока, полученного в результате дискретизации и квантования. Произведем простой подсчет. Поскольку речь идет о стереосигнале, то при частоте дискретизации 48 кГц мы получим 96000 мгновенных отсчетов, каждый из которых при квантовании превратится в последовательность 16 нулей или единиц. Простое перемножение показывает, что объединенный цифровой поток после двух АЦП составляет более 1,5 Мбит в секунду, т.е., необходимо записать и затем достоверно прочитать более 1,5 миллиона импульсов в секунду. Понятно, что для записи импульсов длительностью менее 1 микросекунды верхняя частота в спектре записываемого сигнала превысит 1 мГц. Проблемы возможны и с нижней частью спектра, так как теоретически нельзя исключить ситуации, когда рядом будут расположены много нулей или единиц, что породит наличие длинных импульсов, а следовательно, низкочастотных компонентов в спектре. Поэтому полученный с АЦП сигнал на магнитную ленту никогда не записывают. Основные причины следующие:

1. При воспроизведении невозможно будет разобрать, где левый канал, где правый, где начинается и кончается цифровое значение каждого отсчета, и т.д., потому что биты будут идти подряд, без всяких обозначающих признаков;

2. На ленте всегда возможны соринки, небольшие дефекты магнитного слоя, и т.п., что будет приводить к появлению искажений в цифровом потоке при воспроизведении. Поэтому необходима подстраховка, введение в сигнал дополнительных данных, которые в случае наличия помех помогли бы найти и исправить поврежденную информацию. Такая процедура называется помехоустойчивым кодированием и при использовании различных кодов увеличивает скорость цифрового потока примерно на 25-50 .

3. Необходимо согласовывать спектральный состав цифрового сигнала перед записью с АЧХ тракта записи-воспроизведения. Эта операция называется канальным кодированием и также приводит к появлению дополнительных бит в каждый 8-битовый фрагмент, и в результате скорость цифрового потока еще увеличивается.

4. Необходимо введение в сигнал дополнительной служебной информации, которая структуирует сигнал, разбивая его на заранее оговоренные фрагменты с известными правилами размещения в них информации.

В результате всех этих добавок скорость цифрового потока достигает примерно 2,5 Мбита в секунду. Если минимальная длина волны записи  в обычном кассетном магнитофоне составляет 3 мкм, а интервал намагниченного участка, соответствующий одному биту, равен половине длины волны, то нетрудно посчитать, что для записи стерео сигнала на две дорожки потребуется скорость движения ленты более 3 м/сек. При этом время звучания обычной компакт-кассеты не достигнет одной минуты. Ясно, что такой прямой путь - тупиковый.