1.2. Устройства поперечной видеозаписи

1.2.1. Формат поперечной видеозаписи

Первыми высококачественными студийными видеомагнитофонами были именно устройства поперечной видеозаписи. Это были исключительно профессиональные устройства для телестудий, так как их цена, габариты, масса, стоимость эксплуатации и необходимость обслуживания высокопрофессиональным персоналом практически исключали массовое использование таких аппаратов в домашних условиях.

Рис. 1.1. Магнитограмма поперечной видеозаписи

Фрагмент сигналограммы видеомагнитофона с поперечной записью представлен на рис. 1.1. Формат записи, соответствующий рис. 1.1, называется форматом Q. В качестве магнитной ленты было решено использовать самую широкую из выпускаемых тогда лент – 2-дюймовую (В = 50,7 мм). На сигналограмме видны три продольных дорожки и множество поперечных. Верхняя продольная дорожка - звуковая. На ней записывался звук традиционным способом, как и в обычном аудиомагнитофоне. Поскольку скорость протяжки ленты составляла около 40 см/с, качество звука было высоким. Нижняя продольная дорожка предназначалась для записи сигналов, синхронизирующих работу всех без исключения систем видеомагнитофона. Над ней расположена так называемая режиссерская дорожка, которая совершенно необходима при монтаже программ.

Рис. 1.2. Видеодиск с головками

Вертикальные строчки на сигналограмме - это и есть видеозапись. Длина их А = 46,7 мм, так что более 90 % площади магнитной ленты занимает видеосигнал. Необходимо отметить, что рис. 1.1 схематичен, на нем не выдержан масштаб. В частности, ширина звуковой дорожки составляет 1,7 мм, дорожки синхронизации -1,2 мм, режиссерской - 0,6 мм. Ширина строчек видеозаписи - 0,25 мм при зазоре между строчками 0,14 мм. Кроме того, строчки видеозаписи расположены не строго вертикально, так как, несмотря на огромную линейную скорость вращающейся головки, магнитная лента все же движется, хотя и с неизмеримо меньшей скоростью. В действительности строчки записи отклонены от вертикали примерно на 0,5°.

При выборе основных параметров видеозаписи прежде всего встал вопрос о поперечных размерах строчек, их информационной вместимости, количестве видеоголовок на вращающемся диске и скорости вращения этого диска. При этом необходимо было учитывать, что все периодические процессы в телевидении синхронизируются частотой следования телевизионных полей (полукадров), которые, в свою очередь, всегда синхронизируются частотой сети переменного тока, питающего телецентр либо замкнутую телевизионную систему. А частоты эти разные на разных континентах. В дальнейшем это породило весьма сложные проблемы при попытке обмена телевизионными программами и видеофильмами между Евро-Азиатскими странами (частота питающей сети 50 Г) и странами Американского континента (60 Г). Соответственно, и параметры сигналограммы, приведенной на рис. 1.1, оказались разными. В дальнейшем будем рассматривать европейский вариант, принятый в России (50 Г).

Базовым числом, которое определило все последующие параметры формата видеозаписи, являлось значение верхней частоты в спектре записываемого сигнала. Для получения качества записи, не уступающего качеству прямой трансляции, взяли значение верхней частоты спектра, равное 15 МГц (более подробно объяснение этого числа см. ниже). С другой стороны, так как технологические возможности середины 50-х годов позволяли делать магнитные головки с шириной рабочего зазора около 2 мкм (микрон), минимальную длину волны на магнитограмме желательно иметь на уровне 3 мкм. Умножив это число на 15 МГц, получаем скорость движения магнитной головки порядка 45 м/с. Поскольку протяженность вертикальной магнитной строчки примерно в 1000 раз меньше, то за 1с на ленте необходимо записать 1000 строчек. Ясно, что одной головкой этого сделать нельзя. Во-первых, для этого ее надо вращать со скоростью 1000 об/с, что очень сложно, а во-вторых, ленту пришлось бы сворачивать в трубку, внутри которой вращался бы диск с головкой, что вообще невозможно с точки зрения чисто механической. Поэтому было принято решение использовать четыре головки записи-воспроизведения, разместив их по периферии вращающегося диска под углом 90° друг относительно друга.

Наличие четырех головок позволило снизить скорость вращения диска с головками до 250 1/с. Диаметр вращающегося диска определяли число головок и длина магнитной строчки на ленте. В результате в качестве окончательного варианта был выбран диаметр диска 52,43 мм. При этом головки выступали за пределы диска на 2 мм (см. рис. 1.2).

Для непрерывного контакта магнитной ленты с вращающейся головкой ленту необходимо было согнуть с закруглением, радиус которого совпадал бы с радиусом диска по углу около 90°. Это было сделано с помощью специального лотка необходимого радиуса, причем для плотного прилегания ленты к днищу лотка в нем были сделаны узкие прорези, ведущие в камеру, из которой откачивался воздух.

Ширина строчки 0,25 мм выбиралась исходя из получения требуемого значения ЭДС воспроизведения, при которой обеспечивалось необходимое соотношение сигнал/шум в канале изображения. Зазор между строчками записи 0,14 мм выбирался исходя из требования развязки между двумя соседними строчками в режиме воспроизведения. Таким образом, при шаге магнитных строчек 0,39 мм и 1000 строчках в 1 с скорость протяжки ленты составляла всего 39 см/с. Поэтому на одной бобине появилась возможность записывать довольно длительные телепрограммы.

1.2.2. ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛА ЗАПИСИ

Теперь, после рассмотрения вопроса о том, как записывается сигнал в видеомагнитофоне с поперечной записью, рассмотрим, что записывается, т. е. какие сигналы подаются в записывающие головки. Выше было указано, что записывать видеосигнал напрямую невозможно из-за огромного коэффициента перекрытия по частоте. Поэтому была использована идея с поднесущей частотой, как в одной из неудачных попыток компании ВВС создать видеомагнитофон с неподвижными головками. В данном случае идея себя полностью оправдала, так как вращающиеся головки позволили достичь очень больших скоростей записи, а поперечная запись в десятки раз снизила скорость движения ленты и требования к лентопротяжному механизму. Было принято решение использовать в качестве поднесущей частоту f₀ = 8,5 МГц при частотной модуляции с небольшим индексом, при котором спектр частотно-модулированного сигнала занимает полосу частот не шире, чем при амплитудной модуляции. На рис. 1.3, а дан спектр видеосигнала, а на рис. 1.3, б - спектр, полученный после частотной модуляции с малым индексом модуляции (β = 0,1.. .0,2) поднесущей частоты спектром видеосигнала. Из рис. 1.3 следует, что тракт записи-воспроизведения должен записывать частоты в диапазоне 2... 15 МГц. Коэффициент перекрытия по диапазону получается небольшим, но верхняя частота спектра очень высокая. Именно она и определяет столь большую скорость вращения магнитных головок.

Рис. 13. Спектры телевизионных сигналов

Если внимательно присмотреться к сигналу, который записывается на магнитную ленту, то окажется, что по существу пишется сигнал постоянной амплитуды, очень напоминающий гармонический, с той лишь разницей, что частота этого сигнала изменяется в процессе записи в незначительных пределах. Действительно, уровню черного ТВ-изображения соответствует частота 7,8 МГц, а уровню белого – 9,3 МГц. В этом – большое достоинство избранного метода записи, так как при воспроизведении необходимо прочесть с ленты сигнал постоянной амплитуды, в котором полезная информация содержится в мгновенном значении частоты.

Необходимо помнить, что качество воспроизводимого видеосигнала не может быть выше качества исходного сигнала, а сигнал этот имеет недостатки. Эти недостатки связаны с тем, что к моменту появления цветного телевидения жестко и однозначно была поставлена задача: разместить сигнал цветного изображения в полосу частот 6,5 мГц, т. е. в существующую тогда сетку телевизионных каналов, рожденную в эпоху черно-белого телевидения. Это вынудило придумать идею цветоразностных сигналов, ограничить их спектр и вставить поднесущие цветоразностных сигналов в пределы спектра сигнала яркости. Полученный таким образом телевизионный сигнал называют композитным, и именно он передается в эфир, хотя его качество, особенно в смысле цветопередачи, заметно хуже по сравнению с сигналом, который может выдать телевизионная камера.

Поскольку в Европейских стандартах телевидения за 1 с передается 15625 строк изображения, а количество магнитных строчек, записываемых за это же время, равно 1000, то на одну строчку записи приходится 15,625 телевизионных строки. Понятно, что рвать телевизионную строку нельзя, поэтому на каждой вертикальной магнитной строчке записи должно укладываться целое число строк телевизионного изображения. Проблему эту решили просто: на части магнитных дорожек записывается 15 строк, а на остальных – 16. Информация о том, на скольких и на каких именно из 1000 магнитных дорожек пишется 15 или 16 строк ТВ- сигнала, заносится в электронную память коммутатора, который управляет процессом распределения фрагментов ТВ-сигнала по четырем магнитным головкам. Эти данные закреплены международным стандартом. Функциональная схема видеомагнитофона с поперечной записью в очень упрощенном виде приведена на рис. 1.4. Магнитная лента с подающего накопителя 1 перемещается на магнитный накопитель 2 усилиями двигателя Дв2, будучи плотно зажатой между валом двигателя 7 и прижимным роликом 6. При этом лента контактирует с семью магнитными головками: тремя неподвижными и четырьмя вращающимися. Диск с четырьмя видеоголовками Д вращается двигателем Дв1 со скоростью 15000 об/мин. Рассмотрим работу схемы по рис. 1.4.

Рис. 1.4. Функциональная схема видеомагнитофона с поперечной записью

1.2.3. РЕЖИМ ЗАПИСИ

Полный видеосигнал со спектром до 6,5 МГц поступает на частотный модулятор ЧМ, в котором формируется частотно-модулированный сигнал (см. рис. 1.3, б). Этот сигнал поступает на усилитель записи УК, одновременно являющийся коммутатором. Задача коммутатора – сформировать фрагменты сигналов, подаваемых в записывающие видеоголовки и распределить их по четырем каналам, по числу видеоголовок. Одновременно на коммутатор подается синхросигнал с частотой строчной развертки Fc, а в его электронной памяти хранится информация о том, в каком порядке формировать фрагменты из 15 или 16 телевизионных строк. Переключатель П отправляет сформированные фрагменты на диск вращающихся головок Д через коллектор К. В результате на магнитной ленте записывается 1000 вертикальных магнитных строчек в 1 с, включающих в себя 15625 телевизионных строк, или 25 кадров, или 50 телевизионных полей (полукадров). Простой подсчет показывает, что на магнитной строчке записи длиной 46,7 мм одна телевизионная строка занимает примерно 3 мм. Сигнал звукового сопровождения записывается головкой 3 через усилитель УЗ. Головка 5 записывает на дорожку синхронизации специальный сигнал, который в режиме считывания используется для работы системы автоматической стабилизации скорости движения магнитной ленты. Сигнал звука через усилитель УЗ поступает на неподвижную записывающую головку звука 5.

Оба двигателя – Дв1, обеспечивающий вращение диска видеоголовок, и Дв2, протягивающий магнитную ленту с постоянной скоростью, охвачены замкнутыми автоматическими системами. Система стабилизации скорости диска головок включает в себя тахогенератор ТГ1, фазовый детектор ФД1, генератора Г1 и усилителя У5, после которого обратная связь замыкается на двигатель Дв1. Сигнал ошибки формируется фазовым детектором ФД1 на основании сравнения сигнала тахогенератора и синхросигнала. Этот сигнал управляет частотой генератора Г1, которая и является частотой вращения двигателя Дв1, так как этот двигатель синхронный. Аналогично работает и вторая система автоматического регулирования.