1.3.1.3. Бытовые видеомагнитофоны

Среди устройств бытовой магнитной видеозаписи наиболее известными являются 4 формата записи: VHS, V2000, Betamax, 8mm-Video. В России наиболее распространенным является формат VHS (Video Home System). Именно в этом формате записаны практически все продаваемые в стране видеокассеты. В дальнейшем будем рассматривать именно этот формат, о других будут даны лишь краткие технические параметры.

Все системы бытовой видеозаписи имеют некоторые общие черты:

1. Размещение магнитной ленты только кассетное;

2. Ширина ленты – 12,65мм (кроме формата 8mm-Video);

3. Запись только наклонная;

4. Угол наклона магнитных строчек к краю ленты – до 6^о ;

5. Количество видео головок – 2;

6. Скорость записи – около 5 м/сек;

7. Минимальная длина волны записи – около 1 мкм;

8. Полоса записываемых частот – не более 5 мГц;

9. Запись компонентная с переносом сигналов цветности в НЧ часть спектра;

10. Скорость протяжки магнитной ленты - 2025 мм/сек;

11. Как правило, автотрекинг отсутствует;

12. Запись ведется без междустрочных промежутков;

13. Используется азимутальный разворот головок (до 15 ^о );

14. Звук записывается неподвижными головками по краю магнитной ленты.

В таблице 1.2. приводятся основные параметры упомянутых выше четырех форматов бытовой видеозаписи.

Таблица 1.2. Параметры форматов бытовой видеозаписи

(50 Гц, 625 строк PAL, SECAM)

Параметр	Форматы бытовой видеозаписи
	VHS	V2000	Betamax	8Video
Скорость ленты, мм/с	23,39	24.42	18,73	20,05
Скорость записи, м/с	4,85	5,08	5,83	3,14
Диаметр диска видео головок, мм	62	65	74,4	40
Угол наклона магнитных строчек	5о567	2о38	5о	4о537
Ширина строчки записи, мкм	49	22,6	32.5	34,4
Азимутальный угол, градусов	 6	 15	 7	 10
Ширина ленты, мм	12,65	12,65	12,65	8
Ширина поля видеозаписи, мм	10,6	24,85	10,6	5,6
Плотность записи, кбит/мм2	40	84	54	90
Расход ленты, м2 /час	1,07	0,56	0,85	0,58
Размер кассеты, мм	188 10425	183 11026	155 9425	95 6214

Наиболее распространенный формат VHS имеет наклонную магнитную строчку записи длиной около 90 мм, на которой записано 313 строк телевизионного изображения. Отсюда понятно, что на одну телевизионную строку приходится около 300 мкм длины магнитной строчки. Поэтому при минимальной длине волны записи около 1 мкм рассчитывать на высокое качество изображения в классическом варианте формата VHS не приходится. Так, например, четкость изображения по горизонтали находится на уровне 250-300 линий, что вдвое хуже показателя профессионального студийного видеомагнитофона. Тем не менее, подавляющее число пользователей это устраивает, ибо возможность посмотреть в домашних условиях любимое кино в любое удобное время и любое число раз компенсирует некоторые потери в качестве изображения. Качество звукового сопровождения в бытовых видеомагнитофонах с продольной записью неподвижными головками также невысокое. Как следует из данных таблицы 1.2, скорость движения ленты составляет всего 23 мм/с, что более чем в два раза ниже скорости кассетного звукового магнитофона, который, кстати сказать, тоже не блещет высоким качеством звука.

Во всех форматах бытовой магнитной видеозаписи спектры сигналов, записываемых на ленту, совершенно не похожи на спектры сигналов в профессиональных видеомагнитофонах как по ширине полосы записываемых частот, так и по структуре. Как уже кратко упоминалось выше, в бытовых форматах записывается не компрозитный цветной видеосигнал, а компонентный. Это значит, что спектр цветоразностных сигналов не должен лежать в области частот, занимаемых сигналом яркости. Надо отметить, что сделать это было очень непросто, так как весь спектр частот, занимаемых видеосигналом бытового видеомагнитофона (включая цвет), пришлось укладывать в диапазон до 5 мГц.

Упрощенная функциональная схема бытового видеомагнитофона представлена на рис.1.7. Сигнал на запись может поступать из двух источников – либо по радиочастотному каналу через специальный радиоприемник телевизионных каналов (тюнер), либо в виде видеосигнала и сигнала звука от других источников (другой видеомагнитофон, телекамера). Проследим вначале путь видеосигнала от входа до выхода (запись и последующее воспроизведение). Перед записью видеосигнал, поступивший от любого источника, нормируется по уровню с помощью системы АРУ. Этот сигнал имеет композитную структуру, то есть, цветоразностные сигналы размещены в высокочастотной части спектра сигнала яркости на несущих частотах примерно 4,2 и 4,4 мГц. Поскольку ширина спектра сигнала яркости в бытовом магнитофоне не превышает 3 мГц, подавать на запись полный композитный телевизионный сигнал нельзя, так как цвета будут полностью потеряны.

Здесь необходимо напомнить о том, что в принятой в России и многих других странах системе цветного телевидения SECAM цветоразностные сигналы «красного» и «синего» передаются в эфир по очереди, через строку телевизионной развертки, а в приемнике перед подачей на кинескоп каждая из них задерживается линией задержки на длительность строки и повторяется тогда, когда в эфире данного цветоразностного сигнала нет. Это вдвое снижает четкость цветопередачи по вертикали, но практически зритель этого не замечает, так как четкость изображения в основном формирует сигнал яркости. Именно он дает окантовку мелких деталей изображения. Кстати, разрешающая способность цветопередачи по горизонтали получается примерно такая же, как и по вертикали, потому что ширина спектра цветоразностных сигналов гораздо меньше ширины спектра сигнала яркости. После нормировки амплитуды видеосигнала в системе АРУ сигнал поступает в блок записи – воспроизведения, где и формируется компонентный видеосигнал с сокращенной шириной спектра, который способен записать и воспроизвести бытовой видеомагнитофон. К структуре блока записи – воспроизведения вернемся несколько позднее, а пока продолжим изучения схемы по рис. 1.7. После формирования видеосигнал поступает на запись вращающимися головками через бесконтактный вращающийся трансформатор. Головки Г1 и Г2 – этот и есть вращающиеся головки, записывающие на ленту сигнал изображения на наклонные магнитные строчки. Работают головки поочередно, одна записывает один полукадр (телевизионное поле), другая – второй, и получается полный кадр. Поскольку кадры идут со скоростью 25 в секунду, с такой же скоростью вращается диск магнитных головок, на котором под углом 180^о закреплены 2 видео головки, осуществляющие запись 50 магнитных строчек в секунду. Кроме двух вращающихся головок в схеме имеются еще 4 головки:

Г3 – головка звука;

Г4 – стирание звука;

Г5 – общее стирание;

Г6 – головка синхронизации.

В режиме записи головки Г4 и Г5, расположенные перед блоком вращающихся головок, осуществляют стирание старой записи, а головка Г6 записывает по нижнему краю ленты на дорожку синхронизации сигнал с частотой, равной или кратной частоте следования телевизионных полей. Это необходимо для работы систем автоматического регулирования в режиме воспроизведения. В режиме воспроизведения видеосигнал, считанный с наклонных видео строчек, через бесконтактный вращающийся трансформатор поступает в блок записи-воспроизведения, где после усиления и специальной обработки вновь превращается в композитный видеосигнал. Однако, этот видеосигнал существенно отличается от того, который поступал на блок записи – воспроизведения в режиме записи. Это отличие связано с недостаточно широким спектром видеосигнала яркости, который может записывать бытовой видеомагнитофон, что приводит к снижению четкости изображения. С выхода блока записи – воспроизведения видеосигнал может подаваться на выход магнитофона либо непосредственно на видео вход телевизора, либо через УКВ передатчик, в котором он модулирует несущую частоту передатчика и превращается в радиосигнал одного из дециметровых каналов, который телевизионный приемник принимает с антенного входа.

Что касается канала звука, то здесь ничего нового по сравнению с обычным аудио магнитофоном нет. Звук пишется по верхнему краю ленты неподвижной головкой с высокочастотным подмагничиванием, этой же головкой считывается и после усиления в блоке записи – воспроизведения подается на выход.

Теперь подробнее рассмотрим устройство и работу блока записи – воспроизведения. Работу этого блока удобно рассматривать по рис.1.8., где приводится схема формирования сигнала записи. Стандартный полный телевизионный видеосигнал, поступивший на запись либо с тюнера, либо с профессионального видеомагнитофона высокого качества, поступает на два фильтра - ФНЧ и ПФ1. Фильтр нижних часто ФНЧ, имеющий полосу пропускания около 3 мГц, вырезает из спектра сигнала яркости его низкочастотную часть, не затрагивая сигналы цветности, которые расположены на несущих частотах свыше 4 мГц. Затем это сигнал поступает в качестве модулирующего на частотный модулятор с несущей частотой 4,4 мГц, в результате чего на выходе частотного модулятора образуется ЧМ сигнал с шириной спектра примерно от 1,4 до 7,4 мГц. Поскольку бытовой видеомагнитофон данного формата имеет ограничение по верхней записываемой частоте, сигнал пропускается через фильтр ПФ2. В результате получается яркостная составляющая компонентного видеосигнала. Цветовая компонента из полного видеосигнала выделяется полосовым фильтром ПФ1, а затем гетеродинируется вниз по частоте с помощью смесителя и полосового фильтра ПФ3 в диапазон частот 0,3 – 1,2 мГц. Обе компоненты-яркости и цветности суммируются в сумматоре и подаются на запись в блок вращающихся видеоголовок. Спектральный состав полученного в результате этих преобразований сигнала записи представлен на рис.1.9.

В результате ограничения по спектру частотно-модулированного сигнала яркости большая часть высокочастотных компонент спектра, лежащих правее несущей частоты, оказываются отрезанными. Как известно из теории сигналов, это приводит к значительной паразитной амплитудной модуляции. В процессе воспроизведения перед подачей сигнала на частотный демодулятор его усиливают, а затем пропускают через амплитудный ограничитель, снимая или сильно ослабляя паразитную амплитудную модуляцию. Однако, полностью скомпенсировать потери, нанесенные качеству сигнала яркости, это не может. То же самое можно сказать и о сигнале цветности. Полоса частот, отведенных сигналу цветности в спектре сигнала бытового видеомагнитофона (рис.1.9.), гораздо уже той, что занимают цветоразностные сигналы в спектре полного композитного видеосигнала, выдаваемого телевизионной камерой или профессиональным видеомагнитофоном. Поэтому в бытовом видеомагнитофоне четкость хуже не только по сигналу яркости, но и по сигналу цветности. Все этот является естественным следствием того, что полоса записываемых частот бытового видеомагнитофона втрое меньше, чем профессионального.

Важнейшими узлами блока записи – воспроизведения являются частотные модулятор и демодулятор сигнала яркости. Они совершенно не похожи по своему построению на подобные же устройства, используемые в УКВ ЧМ радиопередатчиках и радиоприемни- ках. Причина состоит в том, что в системах видеозаписи ширина спектра модулирующего сигнала почти равна частоте несущей, тогда как в системах радиовещания они отличаются в сотни и тысячи раз. Поэтому для систем видеозаписи были разработаны специальные схемы модуляторов и демодуляторов. Среди модуляторов широко известны две схемы построения: на мультивибраторе и с помощью смесителей. Схема модулятора на мультивибраторе представлена на рис. 1.10. Идея очень простая: если резисторы R2, R3 питать от напряжения питания схемы, то частота мультивибратора будет постоянной. Если же эти резисторы питать от напряжения, являющегося модулирующим телевизионным сигналом, то частота мультивибратора будет меняться согласно модулирующего сигнала.

Схема модулятора, использующего смесители частоты, представлена на рис. 1.11. В схеме имеются два автогенератора, модулируемые по частоте видеосигналом, причем модулирующие сигналы, поступающие на варикапы этих двух автогенераторов, имеют одинаковые амплитуды, но разные полярности, что обеспечивает качание их частот в разные стороны. В результате, после подачи обоих сигналов на смеситель и выделения разностной частоты девиация частоты сигнала 8 мГц удваивается. Частота 8 мГц выбрана чисто условно. Она может быть различной в различных форматах магнитной видеозаписи, но в любом случае это частота несущей частотномодулированного видеосигнала.

Для демодуляции ЧМ видеосигнала также были предложены принципиально иные подходы. Во-первых, необходимо было исключить ситуацию, когда ширина спектра модулирующего сигнала почти равна несущей частоте, так как после демодуляции информационный сигнал невозможно будет отфильтровать от сигнала несущей частоты. Для этого перед модуляцией производят удвоение частоты несущей, и лишь потом подают сигнал на демодулятор, принцип работы которого ясен из рис 1.12. На рис. 1.12а показан фрагмент частотномодулированного сигнала, поступившего на вход демодулятора. Этот сигнал усиливается, ограничивается по амплитуде и формируется в сигнал прямоугольной формы (рис.1.12б),

в котором моменты перехода через ноль совпадают с такими же моментами сигнала по рис. 1.12а. Затем дифференцирующей цепочкой определяют моменты перехода сигнала через ноль и формируют импульсы одинаковой длительности и амплитуды (рис. 1.12в), скважность которых оказывается функцией модулирующего сигнала, который выделяется фильтром нижних частот (рис.1.12г), имеющим частоту среза на уровне верхней частоты спектра модулирующего сигнала.

Возвращаясь к рис.1.7, можно заметить и другие функциональные узлы кроме рассмотренных выше. В частности, в схеме имеются 3 двигателя. Это минимально возможный набор двигателей для бытового видеомагнитофона.

Двигатель Дв1 с постоянной скоростью 25 оборотов в секунду вращает диск видео головок. Двигатель охвачен кольцом системы автоматической стабилизации скорости вращения, расположенной в блоке следящих систем. Датчиком реальной скорости вращения двигателя является тахогенератор, находящийся на одном валу с двигателем. Устройство сравнения, вырабатывающее сигнал ошибки, получает информацию о требуемой частоте кадров из блока записи – воспроизведения. Обычно эта частота жестко связана с частотой сети переменного тока, питающие источник видеосигнала при записи и видеомагнитофон с телевизором при воспроизведении. В частности, частота кадров равна половине частоты переменного тока промышленной сети в данном городе (регионе). Система автоматического регулирования имеет фазовый детектор в контуре регулирования, поэтому является астатической и ошибки по частоте не дает.

Двигатель Дв2 управляет механизмом заправки ленты. При легком нажатии кассета втягивается внутрь видеомагнитофона, опускается на уровень барабана головок, из кассеты специальными штырями выводится лента и ею охватывается барабан на угол примерно 190 градусов. Только после этого запускается двигатель Дв1, вращающий диск магнитных головок. Поскольку лента движется горизонтально от одной катушки кассеты на другую, а магнитные строчки записи должны бать наклонными, барабан магнитных головок имеет наклон относительно вертикальной оси. Управляет всеми процессами в магнитофоне микропроцессор, связанный со всеми основными узлами через датчики.

У двигателя Дв3 задача такая же, как у тягового двигателя звукового магнитофона – он протягивает магнитную ленту мимо блока вращающихся головок (барабана). Для предотвращения износа ленты, трущейся о барабан, он обработан по самому высокому классу полировки и имеет прорези, из которых выступают кончики двух вращающихся магнитных видеоголовок. Стабильность протяжки магнитной ленты должна быть исключительно высокой, чтобы каждый раз, когда головка воспроизведения начинает свою траекторию движения по магнитной ленте, она точно попадала в нужную строчку записи. Так, например за 3 часа протяжки одной кассеты мимо барабана проходит около 265 метров ленты, а ошибка позиционирования головок относительно строчек записи должна быть на уровне десятков микрометров. Конечно, достичь этого можно только с помощью астатической системы автоматического управления, в которой датчиком является неподвижная магнитная головка Г6, считывающая сигнал с дорожки синхронизации, куда он был записан в режиме видеозаписи.

В видеомагнитофоне имеется таймер, обслуживающий значительный набор сервисных функций, делающих процесс общения с магнитофоном удобным и приятным.

К концу 90-х годов 20 века в продаже стали появляться модификации форматов магнитной видеозаписи. Прежде всего это относится к форматам Super – VHS и VHS – Hi-Fi. У первого из них – формата Super – VHS заметно улучшена четкость изображения по горизонтали. Это явилось результатом улучшения параметров магнитных головок и других узлов магнитофона, что позволило расширить частотный диапазон записываемого сигнала яркости. Так, частоты уровней черного и белого в ЧМ сигнале яркости доведены до 5,4 и 7 мГц соответственно (для сравнения напомним, что в обычном формате VHS эти частоты составляют 3,8 и 4,8 мГц). Интересно то, что на видеомагнитофоне модифицированного формата можно воспроизводить записи, сделанные в старом формате VHS, но четкости, свойственной формату Super – VHS, естественно не будет. Обратной совместимости, к сожалению, нет, то есть, кассеты Super – VHS воспроизвести в магнитофоне старого формата невозможно.

Что касается формата VHS – Hi-Fi, то в нем резко улучшено качество звука, так как удалось разработать технологию записи и воспроизведения звука вращающимися головками 5. При этом стерео звук записывается в виде сигналов с частотной модуляцией на поднесущих частотах 1,4 и 1,8 мГц. Казалось бы, что это невозможно, ведь весь диапазон частот, отведенных записи в VHS формате, занят (см. рис.1.9.), и частоты 1,4 и 1,8 мГц. смешаются со спектром сигнала яркости и цветности. Однако, разработчикам нового формата удалось использовать то обстоятельство, что в зависимости от конструкции магнитных головок, длины волны записываемого сигнала и величины тока записи можно добиться различной глубины намагничивания рабочего слоя ленты. Кроме того, головки звука имеют разворот рабочих зазоров на  30 градусов, поэтому они не чувствительны к сигналу записи изображения. Все эти обстоятельства были эффективно использованы, в результате чего сигналы звука и изображения пишутся один на другой в одну и ту же магнитную строчку разными головками, а при воспроизведении надежно разделяются, не создавая взаимных помех. Звуковые головки расположены на том же диске вращающихся головок несколько впереди головок изображения, так что они первыми производят запись, и лишь по этой записи звука записывают свой сигнал головки изображения. Для создания возможности их последующего разделения головка звука имеет несколько большую ширину рабочего зазора, что вполне допустимо, так как поднесущие частоты ЧМ сигнала звука (1,4 и 1,8 мГц) значительно ниже поднесущей частоты сигнала изображения (4,4 мГц). Кроме того, запись звука ведется при большом уровне тока, в результате чего головка с большим рабочим зазором на более длинных волнах при большем значении тока записи намагничивает магнитный слой ленты до насыщения по всей глубине. Проходящая по этому же месту головка изображения имеет меньший рабочий зазор, меньший ток записи и меньшую длину волны записываемого сигнала. В результате такой повторной записи сигнала изображения перемагничивается лишь поверхностный слой ленты, а записанный в глубине рабочего слоя сигнал звука остается нетронутым.

В режиме воспроизведения из-за наличия азимутальных разворотов рабочих зазоров головок звука поверхностный слои магнитной ленты не наводит в них заметной э.д.с. сигнала видео, и получается, что поверхностный слой ленты для сигнала звука как бы потерян. В результате по каналу звука имеются потери неконтакта на уровне 15…20 дБ, что при воспроизведении длин волн 3…5 мкм не играет существенной роли и позволяет уверенно считывать звуковой сигнал с частотной модуляцией. Применение ЧМ в канале звука позволило реализовать очень высокие показатели обоих каналов звукового сопровождения: полоса передаваемых частот от 20 Гц до 20 кГц, соотношение сигнал-шум на уровне – 80 дБ при нелинейных искажениях в пределах 0,5…1 %. Далеко не всякий источник телевизионных программ, подаваемый на видеомагнитофон, имеет такие прекрасные показатели канала звукового сопровождения. Так что все сделано с явным запасом на тот случай, если источником записываемого сигнала будет цифровой.

Каковы перспективы развития бытовой магнитной видеозаписи? Надо прямо сказать: они весьма туманны. С одной стороны, не за горами возможность массового появления цифровых бытовых видеомагнитофонов, а с другой – еще не исчерпаны возможности аналоговой магнитной видеозаписи. Так что при вложении фирмами – разработчиками серьезных финансовых средств в научно-технические и опытно-конструкторские разработки вполне возможно ожидать существенного улучшения качественных характеристик бытовых видеомагнитофонов. Но будут ли сделаны эти финансовые вложения? Ведь интенсивно развивается новое направление видеозаписи – лазерные диски и все, что с ними связано. Не вытеснят ли эти диски бытовые видеомагнитофоны, как в свое время обычные звуковые магнитофоны вытеснили грампластинки? Ждать ответа осталось недолго.