2.5. Запись цифровых сигналов на ленту

Ранее на конкретных цифрах было показано, что попытка записать цифровой сигнал на обычный аналоговый кассетный магнитофон бесперспективна. Для потребителя важно, чтобы время звучания кассеты в цифровом магнитофоне было бы хотя бы не меньше, чем в аналоговом. При этом его не интересует, каких усилий для этого потребуется от разработчиков.

Очевидно, что плотность упаковки информации на ленту в цифровом магнитофоне необходимо резко повышать. Резервы для этого есть, и они были найдены и реализованы. Прежде всего, необходимо уменьшить минимальную длину волны записи. Использование современных технологий и материалов в производстве магнитных головок на основе сендаста и феррита, а также появление магнитных лент со сплошным металлизированным покрытием (металлопорошковые ленты) позволило довести минимальную длину волны записи до 0,5 мкм. При этом продольная плотность записи может быть доведена до 2500 бит/мм. Однако, такая мера позволила увеличить плотность записи не более чем в 8 – 10 раз, чего явно недостаточно. Были также использованы особенности цифрового сигнала, в котором не требуется иметь большой динамический диапазон и высокое соотношение сигнал – шум. Действительно, необходимо лишь различить уровни сигналов «1» и «0». В результате проведенных исследований было установлено, что для достижения приемлемой вероятности ошибок в канале цифровой записи – воспроизведения, при которой на выходе системы помехоустойчивого декодера обеспечивается безошибочное воспроизведение, достаточно иметь соотношение сигнал - шум 20 – 30 дБ (для аналоговой звукозаписи 50 – 60 дБ). В результате становится возможным уменьшение ширины дорожек записи в десятки раз (до 10 – 20 мкм против 600 – 700 мкм в аналоговой записи). И только лишь по завершению всех этих работ появилась уверенность в том, что длительность звучания цифрового магнитофона на кассетах равного размера будет не меньше, а иногда и больше, чем аналогового.

2.6. Форматы цифровой магнитной звукозаписи

Исторически первыми ЦМ стали профессиональные (студийные) магнитофоны. Они имели столь сложное устройство, габариты, массу и стоимость, нуждались в профессиональном обслуживании, что не могло быть речи об их использованием в быту. Это были ЦМ формата DASH (Digital Audio Stationary Head).

2.6.1. Профессиональный формат dash

Для получения приемлемых скоростей движения магнитной ленты было использовано разделение цифрового потока на большое количество каналов, записываемых на соответствующее количество параллельных друг другу магнитных дорожек неподвижной головкой с множеством рабочими зазоров, расположенных друг над другом. Выше приводилась количественная оценка скорости цифрового потока для записи стерео сигнала (левый и правый канал), которая примерно равна 2,5 Мбит в секунду. Для профессиональной студийной аппаратуры этого совершенно недостаточно, так как часто приходится записывать программу с десятками источников звука (микрофонов). Самый распространенный пример – запись в студии или зале симфонического оркестра, имеющего в своем составе до 100 инструментов, расположенных на большом расстоянии друг относительно друга. Ясно, что двумя микрофонами здесь не обойтись. Для долговременной консервации симфонической классической музыки, особенно в исполнении выдающихся музыкантов, обычно пишут столько каналов, сколько допускает записывающая аппаратура. Такая запись является основой, с использованием которой высококлассные звукорежиссеры, формируя стерео сигнал для записи на бытовые кассеты, диски или для передачи в эфир, могут по-разному смешивать множество сигналов с многих микрофонов, установленных в разных местах оркестра. При этом с одной и той же базовой записи, выдерживая определенный порядок суммирования сигналов и их уровни, можно добиться различного восприятия одной и той же музыки, что, кстати, и происходит в концертном зале для различных слушателей, сидящих по всему залу. В этом случае кому-то понравится одна стерео запись, а кому-то – другая. При этом звукорежиссер, сидящий за микшерным пультом, не являясь композитором, дирижером или исполнителем, превращается для слушателей сформированного им стерео сигнала в равноценного творца музыкального произведения. Ниже приводятся основные параметры формата DASH.

Частота дискретизации, кГц 44,1; 48; 32

Число бит на отсчет (разрядность) 16

Ширина ленты, мм 25,4; 12,7; 6,25

Скорость записи, см/сек. 76,2; 38,1 19,05

Число дорожек при ширине ленты мм:

25,4 48 +2 аналоговые +2

служебные

12,7 24

6,25 12

Ширина дорожки, мкм 240

Число дорожек на канал при скорости, см/сек

76,2 1

38,1 2

19,05 4

Продольная плотность записи, бит/мм 1600

Сравним потенциальные возможности цифрового магнитофона при ширине ленты 25,4 мм и скорости 76,2 мм/сек с возможностями при ширине ленты 6,25 мм и скорости 19,05 см/сек. В первом случае на одну дорожку можно писать один канал звука, что при 48 дорожках позволяет одновременно писать 48 каналов. Во втором случае для записи одного канала требуется 4 дорожки, что при 12 дорожках позволяет писать одновременно только 3 канала. Ясно, что чем престижнее концертный зал или студия звукозаписи, тем более мощной записывающей аппаратурой они комплектуются.

На рис. 2.1 приведена функциональная схема профессионального цифрового магнитофона формата DASH. На вход может подаваться как цифровой сигнал, так и аналоговый. Схема представлена так, что предполагает многоканальную запись. Аналоговый сигнал на входе обязательно проходит ФНЧ для подавления возможных компонент свыше 20 кГц, так как их возможное присутствие в процессе квантования может нарушить условие Котельникова и внести помехи в восстановленный сигнал при воспроизведении.

После АЦП цифровые потоки всех каналов обрабатываются мультиплексером и делятся на отдельные цифровые потоки по количеству дорожек записи. Тактовая частота на выходе мультиплексера и весь режим его работы определяет синхронизатор, который вместе со схемой управления регулирует процессы во всех цифровых узлах магнитофона. На мультиплексер можно возложить и функции перемежения. После мультиплексера цифровой сигнал в виде отдельных байтов поступает на помехоустойчивый кодер, где к нему добавляются вычисленные по определенному алгоритму байты помехоустойчивого кодирования. За счет этих дополнительных байтов тактовая частота на выходе кодера ПК всегда больше, чем на входе. Поэтому с кодером обязательно связано оперативное запоминающее устройство ОЗУ, куда информация пишется с одной скоростью, а считывается с другой. Все скорости задает синхронтзатор. Далее сигнал поступает в канальный кодер, где скорость цифрового потока вновь возрастает. Работой канального кодера управляет специальная схема управления, синхронизируемая от синхронизотора. С выхода канального кодера сигнал через усилитель записи УЗ поступает в обмотку головки записи и фиксируется на магнитной ленте.

В режиме воспроизведения сигнал усиливается усилителем воспроизведения УВ и подвергается восстановлению. Как известно, из-за дифференцирующих свойств головки на её выходе фиксируются только моменты перехода сигнала из положительного значения в отрицательное, и наоборот (см. рис. 2.2). На рис 2.2.а показана идеальная форма тока записи импульсного сигнала, а на рис. 2.2.б – сигнал с выхода головки воспроизведения. Кроме схемы восстановления в усилителе воспроизведения имеется схема фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, которая выделяет из восстановленного сигнала тактовую частоту и, сравнивая её с тактовой частотой записи, дает сигнал обратной связи на схему управления двигателями лентопротяжного механизма с целью выравнивания этих частот. Далее сигнал поступает в канальный декодер, где восстанавлива- ются байты, которые далее поступают на декодер помехо-

устойчивого декодирования. Если ошибок немного, и декодер правильно восстанавливает записанный сигнал, то этот сигнал поступает на демультиплексер, где разбивается на каналы и подвергается цифро – аналоговому преобразованию и фильтрации в ФНЧ. Если же произошли длительные выпадения сигнала, и, несмотря на использование перемежения и помехоустойчивого кодирования, не все ошибки удается исправить, в работу вступает интерполятор, который значение ошибочного байта выставляет методом интерполяции по двум соседним значениям. Слушатель такой подмены даже не заметит.

Простого взгляда на рис. 2.1. достаточно для того, чтобы убедиться в сложности и громоздкости устройства. Если число дорожек на магнитной ленте обозначить буквой Х, то в магнитофоне все основные узлы (кодеры помехоустойчивого и канального кодирования, усилители записи и воспроизведения, декодеры и интерполяторы) будут дублированы Х раз. Лентопротяжный механизм в таком магнитофоне трехдвигательный, все двигатели управляются от схемы управления двигателями, куда заводятся сигналы с системы ФАПЧ, с датчика натяжения ленты и со схемы управления магнитофона. Для работы оператора имеется пульт управления с органами управления и индикаторами. В цифровых магнитофонах подобного класса подающий и приемный узлы лентопротяжного механизма – катушечного типа, кассетная зарядка магнитной ленты не предусмотрена.