книги из ГПНТБ / Барсуков Ф.И. Элементы и устройства радиотелеметрических систем

правлением записи (перемещением носителя рис. 7-3,а), то такую запись называют записью с продольным на­ магничиванием. Запись, при которой направление основ­ ного магнитного потока записывающей головки перпен­ дикулярно направлению перемещения н параллельно ра­ бочей поверхности носителя (рис. 7-3,6), Называется записью с поперечным намагничиванием. Применяется также запись с перпендикулярным намагничиванием, при

Рис. 7-3. Виды намагничивания при магнитной за ­ писи.

а — с продольным намагничиванием; б — с поперечным на­

которой магнитный поток в рабочем зазоре записываю­ щей • головки перпендикулярен поверхности носителя (рис. 7-3,0).

В- телеметрических системах применяется преимуще­ ственно запись с продольным намагничиванием. При этом в качестве носителя используется ферромагнитная лента, что обеспечивает возможность записи значитель­ но большего объема информации, чем при использова­ нии магнитных барабанов и дисков.

210

Особенности регистрации непрерывных сигналов. Что­ бы обеспечить линейную зависимость остаточной индук­ ции от напряженности магнитного поля при записи, неЬбходимо выбрать прямолинейный рабочий участок кри­ вой намагничивания. Это достигается применением дополнительных магнитных полей смещения.

В современной технике магнитной записи электри­ ческих сигналов используются два метода создания до­ полнительных полей смещения, отличающихся началь­ ным состоянием ферропленок и способами смещения их рабочих характеристик. Один из методов основан на размагничивании регистрируемым сигналом предвари-, тельно намагниченного носителя стирающей головкой. Стирание предыдущей записи и намагничивание носителя в этом случае производится постоянным током. При та­ ком методе регистрации из-за намагниченного состояния пленки при нулевых значениях регистрируемой величины оказывается очень высоким уровень собственных шумов устройства запись — воспроизведение. Это вызывает до­ полнительные погрешности при обработке записей.

Запись методом намагничивания производится на но­ сителе, предварительно полностью размагниченном сти­ рающей головкой. Стирание в этом случае ведется маг­ нитным потоком, изменяющимся с высокой частотой. Стирающая головка при этом питается от специального генератора, частота выходных колебаний которого долж­ на быть значительно больше наивысшей частоты реги­ стрируемого сигнала. В процессе регистрации при этом методе через обмотку записывающей головки проте­ кает не только регистрируемый сигнал, но и ток подмагничивання (смещения) той же частотны, что и ток стирания.

Пропусканием тока подмагничивания определенной величины через обмотку записывающей головки дости­ гается линейность рабочего участка кривой намагничи­ вания, чем обеспечивается линейная зависимость между остаточной индукцией (намагниченностью) носителя и напряженностью магнитного поля. Эта линейность важна при записи плавно изменяющихся сигналов, информаци­ онным параметром которых являются мгновенные зна­ чения их интенсивности.

Метод намагничивания с высокочастотным смещени­ ем обеспечивает более высококачественную запись вслед­ ствие отсутствия намагниченности в паузах и вследствие

большей напряженности линейной части рабочей харак­ теристики (кривой намагничивания).

Использование магнитной записи для регистрации вщ' деосигналов с широким спектром связано с преодолением ряда серьезных затруднений, определяемых ограниченно­ стью частотных характеристик системы запись — воспро­ изведение.

Примерный вид частотной характеристики кольцевой магнитной головки представлен на рис. 7-3,г. Для подъ­ ема (усиления) сигналов на крайних частотах полосы пропускания в усилителях записи и воспроизведения вводится коррекция по низким и высоким частотам.

Сдвиг границы частотной характеристики в сторону более высоких частот достигается подбором параметров системы так, чтобы выполнялось неравенство

где f — частота записываемого сигнала; А — величина рабочего зазора в магнитопроводе головой; ѵп— скорость движения ленты.

Выполнить это условие можно, увеличив скорость дви­ жения магнитной ленты и уменьшив зазор в магнито­ проводах записывающей и воспроизводящей головок. Однако при этом сдвигается в сторону более высоких частот и низкочастотная граница полосы пропускания системы. Нижняя граница полосы пропускания может быть сдвинута в область более низких частот путем подъ­ ема усиления (коррекции) низкочастотных составляю­ щих сигнала в усилителях записи и воспроизведения.

Таким образом, если предположить, что магнитная лента обеспечивает регистрацию электрических' сигналов в широком спектре частот, то верхняя граница полосы пропускания системы запись — воспроизведение опреде­ ляется наименьшей величиной зазора в магнитопроводах головок и наибольшей скоростью движения магнитной ленты.

Практически удается уменьшить зазор в магнитопро­ воде записывающей и воспроизводящей головок до 0,1— 0,5 мкм, а скорость движения магнитной ленты довести до 5 м/сек. При этом наивысшая частота, которая может быть записана такой системой в соответствии с выраже­ нием (7-1), составляет 3—4 Мгц. Дальнейшее уменьше­ ние величины зазора в магнитопроводах записывающей и воспроизводящей головок вызывает трудности конст-

212

руктивного порядка. Кроме того, при малом зазоре за­ трудняется коррекция частотной характеристики в обла­ сти низких частот из-за значительного уменьшения эф­ фективности воспроизведения головкой сигналов этих ча­ стот. Значительное увеличение скорости движения маг­ нитной ленты приводит к быстрому износу головок и уменьшению надежности аппаратуры регистрации. Не­ достатки рассмотренного прямого способа записи состоят в малой точности воспроизведения мгновенных значений сигнала и ограниченности частотного диапазона не толь­ ко сверху, но и снизу.

Низкая точность воспроизведения, сигнала при пря­ мой записи объясняется тем, что вследствие неоднород­ ности носителя, особенно его магнитных свойств и из-за непостоянства механического контакта между носителем и головкой коэффициент пропорциональности между остаточным магнитным потоком в носителе и-током запи­ си не остается постоянным, а подвержен в процессе запи­ си случайным изменениям. Величина паразитной моду­ ляции и ошибки записи, возникающие при этом, опреде­ ляются свойствами носителя, плотностью его контакта с головкой, частотой записываемого сигнала и выбором подмагничивания. При записи сигналов высокой частоты и узких дорожках записи паразитная модуляция может достигать значительных величин.

Другим недостатком прямой магнитной записи явля­ ется ограничение диапазона частот записывающих сиг­ налов снизу. Это объясняется тем, что воспроизводящая головка работает неэффективно, когда размеры ее полю­ сов меньше длины волны записываемого сигнала. Вос­ произвести же постоянную составляющую записанного прямым способом сигнала (при продольной записи) во­ обще невозможно.

В связи с указанными причинами, когда необходимы точная запись и воспроизведение сигналов, что особенно важно в радиотелеметрических системах, вместо прямой записи часто применяют модуляционную.

Сущность модуляционного способа записи состоит в .том, что регистрируемый сигнал модулирует вспомога­ тельное колебание, которое затем записывается на носи­ тель.

В процессе воспроизведения вспомогательное колеба­ ние детектируется и фильтруется. В результате такой обработки выделяется исходный сигнал.

213

Могут применяться различные виды модуляции. Наи­ более широко используется частотная модуляция (4M) вспомогательного (поднесущего) колебания. Амплитуд­ ная модуляция применяется реже, так как при ней точ­ ность записи ограничена из-за паразитной амплитудной модуляции, возникающей при магнитной записи.

При использовании модуляционной записи точность воспроизведения исходного (записываемого) сигнала мо­ жет быть получена 0,5—1%. Предел ограничения точно­ сти определяется паразитной частотной модуляцией, вы­ зываемой нестабильностью скорости движения носителя при записи и воспроизведении сигнала.

Особенности цифровой магнитной записи. В совре­ менных радиотелеметрических системах широко исполь­ зуется цифровая магнитная запись, при которой записы­ ваемый сигнал предварительно преобразуется в серии кодовых импульсов, отображающих собой числа в дво­ ичной системе счисления.

При таком виде записи ошибка может возникнуть только в случае пропадания одного из кодовых импуль­ сов или возникновения ложного импульса. Форма и ве­ личина воспроизводимых импульсных сигналов при этом не имеют значения и не обязательно должны быть точ­ но воспроизведены. Важно лишь правильно передать ин­ формацию о наличии или отсутствии импульса (да — нет) и в некоторых случаях информацию о временном интервале между ними.

Для записи кодов на магнитном носителе часто при­ меняется так называемая запись по двум уровням. По­ скольку при записи кодов нелинейные искажения не име­ ют существенного значения, то в этом случае отпадает необходимость применения источников смещения, услож­ няющих аппаратуру записи. Для записи знаков «0» и «1» используются два магнитных состояния носителя. Одно из них характеризуется магнитной индукцией по­ ложительного знака, другое — магнитной индукцией отрицательного знака.

Известны четыре основных метода цифровой реги­ страции: «с возвратом к нулю» (ВН), «с возвратом к смещению» (ВС); «без возврата к нулю» (БВН); мо­ дифицированным методом «без возврата к нулю» (БВНМ) и «фазовой модуляции» (ФМ). Эпюры напря­ жений, характеризующие перечисленные методы, пред­ ставлены соответственно на рис. 7-4,а—г. С использова­

214

нием метода ВЫ для регистрации значения «1» в обмотку головки записи подается импульс тока положительной полярности, а для регистрации знака «О» — отрицатель­ ной, причем длительность этих импульсов меньше интер­ валов івремени, отводимых на передачу каждого из раз­ рядов иода, так что между импульсами разрядов ток в обмотке головки отсутствует.

При методе ВЫ на одну двоичную единицу приходит­ ся дважды менять направление магнитного потока, что приводит к ограничению плотности записи. Ампли­ туда воспроизводимых сигналов в этом случае меньше, чем при других методах записи, что обу­ словлено меньшими зна­ чениями переключаемых магнитных потоков.

В случае использова­ ния метода ВС в обмотку головки записи подается импульс положительной полярности при регистра­ ции знака «1» и ничего не подается при регистрации знака «О». При этом ме­

тоде имеет место аналогичное методу ВН ограничение плотности записи. Однако амплитуда воспроизводимых импульсов при этом оказывается большей. При записи по методу БВН через катушку записывающей головки в течение всего интервала времени, отводимого на раз­ ряд кода, пропускается ток положительной полярности при регистрации знака «1» и отрицательной полярности при регистрации знака «О»,

Характерным для метода БВНМ является то, что на­ правление тока в обмотке головки меняется по направле­ нию только при записи «1» и остается неизменным (не­ зависимо от его полярности) при записи «О». Перемена направления потока при записи «1» упрощает схемы вос­ становления информации и повышает надежность их ра­ боты. Метод БВНМ чаще применяется в магнитных за­ поминающих устройствах вычислительных машин.

Метод ФМ отличается тем, что на один двоичный разряд приходится одно или два переключения потока,

215

причем при записи «О» во второй части разряда записы­ вается положительный перепад, а при записи «1» — от­ рицательный, что обусловливает высокую надежность, воспроизведения, так как выпадение одного из импуль­ сов обнаруживается сравнительно легко.

В телеметрических системах наиболее распростране­ ны методы БВН.

Важнейшим параметром цифровой магнитной записи является плотность записи. Плотность складывается из плотности по длине одной дорожки (продольная плот­ ность записи) и плотности дорожек по ширине магнитной ленты (поперечная плотность записи).

Под продольной плотностью записи понимают число импульсов, приходящееся на один миллиметр длины но­ сителя.

Ограничения по плотности записи вдоль дорожки объясняются следующим образом.

Напряжение сигнала на выходе воспроизводящей го­ ловки может быть определено из следующего соотноше­ ния:

магнитный поток, пересекающий обмотку возбуждения;

фронтов переключения в воспроизводимых импульсах, будет существенно расширена и в результате они из П-образных, какими были при записи, превратятся в ко­ локолообразные. Воспроизводимые импульсы оказыва­ ются более широкими, чем регистрируемые.

С увеличением плотности записи, т. е. когда отдельные импульсы будут записываться ближе друг к другу, при

216

их воспроизведении возникнет .взаимное влияние между смежными импульсами, что приведет к уменьшению амплитуды воспроизводимых импульсов и смещению их вершин. За счет этого ухудшается распознавание воспро­ изводимой информации и уменьшается надежность си­ стемы запись — воспроизведение.

Критическая величина числа импульсов ті, записывае­ мых на 1 мм дорожки носителя, при которой наложение импульсов при воспроизведении будет допустимым, мо­ жет быть приблизительно определено как:-

Величина /макс определяется магнитными свойствами магнитного носителя и параметрами записывающей и воспроизводящей головок. Теоретический предел значе­ ния г)крит, обусловленный структурой магнитных носи­ телей, равен приблизительно ІО4 имп/мм. Максимальная продольная плотность записи в установках, находящих­ ся в промышленной эксплуатации, составляет всего 40— 50 имп/мм, а в лабораторных условиях—-до 500 имп/мм.

Пути повышения плотности цифровой записи -следу­ ющие:

■создание и .использование при производстве магнит­ ных головок материалов с более высокой магнитной про­ ницаемостью;

уменьшение толщины покрытия носителя до 1 мкм и менее;

обеспечение высокой прямоугольное™ петли гисте­

си достигается уплотнением расположения дорожек и, следовательно, увеличением их числа на единицу ширины ленты.

317

рулоне может достигать 1 000 м. Ширина ленты колеб­ лется от 6,55 (на 3 дорожках) до 1 2 5 (на 50 дорож­

ках).

Компенсация искажения сигнала, возникающего вследствие нестабильности движения ленты. Скорость записи, как и скорость воспроизведения, никогда не бывает строго постоянной, причем для каждой точки сигнало­ граммы скорость записи в большинстве случаев не рав­ на скорости .воспроизведения. Это вызывает при точной (модуляционной) записи искажение временного масшта­ ба, что приводит к дополнительным ошибкам при вос­ произведении сигнала. С целью уменьшения этих оши­ бок применяются соответствующие методы компенсации.

Различают два типа систем компенсации искажений воспроизводимого сигнала, возникающих вследствие не­ стабильности движения магнитной ленты при записи и

•воспроизведении.

Первый тип систем используется для компенсации искажений сигнала, вызываемых медленными измене­ ниями скорости движения ленты. Принцип действия этих систем сводится к поддержанию скорости движения маг­ нитной ленты при воспроизведении, равной скорости движения ленты при записи. Иначе говоря, при медлен­ ных изменениях скорости ленты во время записи систе­ ма компенсации соответственно изменяет скорость лен­ ты при воспроизведении. Так как скорости ленты при записи и воспроизведении вследствие действия компен­ сационной схемы оказываются одинаковыми, то частот­ ных искажений при воспроизведении сигналов не возни­ кает. Такие системы являются инерционными и поэтому не могут использоваться для компенсации искажений, появляющихся в результате быстрых изменений скоро­ сти движения магнитной ленты.

Искажения воспроизводимого сигнала, причиной ко­ торых являются скачкообразные изменения скорости движения магнитной ленты в записывающем устройстве, компенсируются посредством электронных компенсаци­ онных схем. Сущность принципа действия таких, схем сводится к исправлению (компенсации) величины вос­ производимого сигнала с учетом величины и знака иска­ жения, полученного при записи вследствие скачкообраз­ ного изменения скорости движения ленты. Такие элек-

■тронные компенсационные схемы называют часто схема­ ми компенсации импульсных помех.

218

Структурная схема устройства для компенсации им­ пульсных помех, возникающих при скачкообразных из­ менениях скорости движения .магнитной ленты при записи аналоговых сигналов, представлена на рис. 7-5. На одну из дорожек записи (управляющую дорожку) записывается опорный сигнал, вырабатываемый генера­ тором опорного сигнала.

В ряде случаев опорный сигнал может быть записан на одну дорожку вместе с основным сигналом. Частота опорного сигнала в этом случае должна быть больше самой высокой из частот спектра основного сигнала для

Спорный.

ойгнал

Рис. 7-5. Схема компенсации импульсных помех.

того, чтобы иметь возможность разделить эти сигналы при воспроизведении. Для разделения опорного и основ­ ного сигналов применяются разделительные полосовые фильтры (рис. 7-5).

Опорный сигнал, модулированный по частоте им­ пульсной помехой, возникшей при быстром изменении скорости движения ленты при записи, подводится к ча­ стотному дис-криминатору. Обычно в таких схемах уста­ навливается дискриминатор с усреднением.- С помощью фильтра нижних частот, установленного на выходе ча­ стотного дискриминатора, ,выделяется сигнал ошибки. Этот сигнал по величине, знаку (полярности) и продол­ жительности соответствует искажению основного сигна­ ла, возникшего при записи.

Напряжение сигнала ошибки используется для вне­ сения поправки в выходное напряжение дискриминатора поднесущей (основного сигнала). В результате воспроиз­

219