Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

ностью через сердечник головки. При этом наклон частотной характеристики в этой области может достигать 18 дБ на октаву [1].

При записи и воспроизведении сигнала, содержащего высокие частоты, неравномерность частотной характеристики узла«лента – головка» обусловливается искажениями, наступающими вследствие соизмеримости рабочего зазора магнитной головки и длины волны записи. При очень малых длинах волн за время прохождения элемента ленты по всему участку магнитного поля записывающейго ловки электрический сигнал может изменяться и даже переменить полярность.

Частотные искажения, вносимые магнитным звеном, компенсируются подбором формы частотных характеристик усилителей тракта записи – воспроизведения.

Особенности записи– воспроизведения различных электри-

ческих сигналов. Рассмотрим конкретные условия записи– воспроизведения звуковых и ТВ сигналов. В звуковом сигнале отношение максимальной частоты (20 кГц) к минимальной (20 Гц) равно 103, или 10 октавам. Длина волны записи l на магнитном носителе, соответствующая участку синусоидального распределения остаточной индукции на ленте, зависит от частоты сигнала записиf и скорости движе-

записи. Допустимое значение lmin определяется величиной рабочего зазора головки d. Для нормальной работы магнитофона должно вы-

ние) сигналов с минимальной длиной волныlmin = 2…3 мкм. Тогда,

если fв @ 20 кГц, то Vmin @ 4…6 см/с. При увеличении ширины рабочего зазора скорость движения ленты должна возрастать. На практи-

ке для записи звуковых сигналов используются следующие скорости движения магнитной ленты: 38,1; 19,05 и 9,53 см/с.

Основным отличием магнитной записи ТВ сигналов от звуковых

частоты к минимальной равно1,2×105, что составляет приблизительно 18 октав. Для записи максимальной частоты ТВ сигнала потребуется скорость движения ленты относительно головки Vз = 12…18 м/с, что неприемлемо с практической точки зрения.

Низкочастотные компоненты спектра ТВ сигнала будут записы-

ваться с длиной волны lmax = lminfв fн = 240…360 мм, которая примерно в 100 раз превышает длину рабочей поверхности головки. Од-

нако с достаточным уровнем может быть воспроизведен только тот сигнал, длина волны записи которого не превышает размеров рабочей поверхности магнитной головки. Следовательно, при записи ТВ

сигналов будут возникать очень значительные частотные искажения, трудно корректируемые в электрических цепях канала изображения видеомагнитофона. Кроме того, при малых значениях низкочастотных составляющих ТВ сигнала ЭДС, генерируемая воспроизводящей головкой, может оказаться ниже уровня шумов.

Поэтому в видеозаписи нельзя непосредственно использовать способ записи звуковых сигналов, т.е. с продольной дорожкой, который иллюстрируется рис. 10.1 [1].

10.2. Магнитная запись телевизионных сигналов

Использование частотной модуляции при магнитной видеоза-

писи. Для уменьшения частотных искажений в канале изображения видеомагнитофона перед записью необходимо в первую очередь осуществить относительное сжатие частотного диапазона путем переноса спектра ТВ сигнала в более высокую частотную область.

В этом случае в аппаратуре магнитной видеозаписи одновременно уменьшается сложность записи низкочастотных составляющих ТВ сигнала.

Для переноса спектра ТВ сигнала вверх по шкале частот достаточно использовать модуляционный метод преобразования.

Однако применить АМ ТВ сигналов при магнитной видеозаписи практически не представляется целесообразным из-за помех. Такими помехами являются: непостоянство контакта лента– головка, неоднородность магнитного слоя ленты, продольные колебания ленты и др. Поэтому при записи ТВ сигналов на магнитную ленту применяется ЧМ.

Способы магнитной записи ТВ сигналов. Для практической реа-

лизации магнитной видеозаписи необходимо было снизить скорость записи. Решающим шагом в развитии техники магнитной видеозаписи явился отказ от продольной записи на ленту и переход к строчной записи. В этом случае ТВ сигнал записывается отдельными строчками записи, расположенными в плоскости ленты. В практике видеозаписи известны две разновидности строчной записи: поперечно-строч- ная и наклонно-строчная. При этом траектория перемещения головки по магнитной ленте определяется совместно вращательным движением видеоголовки и поступательным движением ленты, а результирующая скорость записи Vр может быть найдена как векторная сумма линейной поступательной скорости движения ленты(Vл ) и окружной линейной скорости вращения видеоголовок (Vг ).

Если строчки записи располагаются почти перпендикулярно основанию ленты, видеозапись называется поперечно-строчной. При поперечно-строчной записи блок вращающихся головок - пред ставляет собой диск диаметром около 50 мм, на котором по окруж-

Рис. 10.4. Конструкция узла «лента – головка» при поперечно-строчной записи

1 – вакуумная направляющая камера; 2 – магнитная лента; 3 – вращающийся диск; 4 – магнитная видеоголовка

ности со сдвигом 90° относительно друг друга смонтированы четыре видеоголовки (рис. 10.4). Диск вращается со скоростью 250 об/с, а скорость перемещения ленты составляет 39,7 см/с. Причем плоскость ленты перпендикулярна вращающемуся диску с видеоголовками. В том месте, где головки соприкасаются с поверхностью ленты, она изгибается с помощью вакуумной направляющей камеры, и на ее поверхности остается магнитный след в виде вертикальной строки. Поперечно-строчная запись является сегментной, так как на каждой строчке записи фиксируется только часть поля ТВ изображения.

Недостатком сегментного способа записи является возможность появления заметных полос на изображении, обусловленных неидентичностью параметров видеоголовок.

Наклонно-строчная видеозапись осуществляется одной или двумя видеоголовками, расположенными на вращающемся диске, который находится между двумя половинками направляющего барабана (рис. 10.5). Для осуществления записи ось направляющего барабана с диском наклонена по отношению к направлению движения ленты на

некоторый угол q.

Наклонно-строчная видеозапись может быть как сегментной, так и несегментной. В последнем случае на одной строчке записывается полностью одно поле ТВ изображения и большая часть КГИ.

Видеомагнитофоны с наклонно-строчной записью имеют более высокую плотность записи. Кроме того, они свободны от присущих четырехголовочным видеомагнитофонам с поперечно-строчной записью искажений, вызываемых неидентичностью характеристик вращающихся видеоголовок.

Рис. 10.5. Расположение диска с видеоголовкой и магнитной ленты при наклонно-строчной записи

1 – магнитная лента; 2 – направляющий барабан; 3 – вращающийся диск; 4 – видеоголовка; 5 – направляющие ролики

В настоящее время как в профессиональной, так и в бытовой аппаратуре видеозаписи практически используются только способы (форматы) наклонно-строчной записи.

Форматы наклонно-строчной записи. В профессиональной ви-

деозаписи в основном применяется формат записи С с одной -вра щающейся видеоголовкой, обеспечивающей запись полного цветного ТВ сигнала в одном канале с использованием ЧМ. В соответствии с форматом С на магнитной ленте шириной25,4 мм, кроме строчек видеозаписи, наклоненных к ее базовому краю на угол 2°34¢, распола-

гаются четыре продольные звуковые дорожки и одна дорожка для записи сигналов управления. Линейная скорость движения магнитной ленты составляет 2,44 см2/кадр.

Наибольшее распространение получили видеомагнитофоны бытового назначения, использующие формат записиVHS (Video Home System) [2]. В них применяется магнитная лента шириной12,65 мм, помещенная в кассету размерами 188x 102x 25 мм. В зависимости от количества ленты толщиной около19 мкм в кассете длительность проигрывания составляет от 30 до 240 мин при расходе магнитной ленты 1,07 м2/ч. Видеосигнал записывается двумя вращающимися видеоголовками, расположенными под углом180° на диске диаметром 62 мм. Частота вращения барабана составляет1500 об/мин. Рабочие зазоры видеоголовок развернуты под углом±6° относительно перпендикуляра к направлению движения головок(азимутальная запись). Разворот в разные стороны рабочих зазоров видеоголовок на небольшой угол приводит к тому, что направление намагниченности изменяется от строчки к строчке на величину двойного угла наклона рабочих зазоров. При воспроизведении «своей» строчки записи ори-

Рис. 10.6. Расположение дорожек записи в формате VHS

ентация намагниченности ленты совпадает с ориентацией зазора видеоголовки, а при воспроизведении с«чужих» строчек записи совпадение отсутствует. За счет этого уменьшается уровень воспроизводимого мешающего сигнала, что приводит к увеличению отношения сигнал–помеха в полезном сигнале. Каждая видеоголовка записывает одно поле изображения, а угол охвата диска видеоголовок лентой немного превышает 180°. Это создает перекрытие во времени сигналов, воспроизводимых видеоголовками, примерно на три ТВ строки.

Видеоголовки коммутируются сигналом датчика оборотов диска с частотой 25 Гц примерно за 5–8 строк до начала КСИ.

Расположение продольных магнитных дорожек и наклонных строчек записи видеосигнала (при использовании формата VHS) показано на рис. 10.6. В данном случае продольные магнитные дорожки1, 2 служат для записи двух звуковых сигналов, т.е. возможна стереофоническая запись звукового сопровождения. Продольная дорожка 4 используется для записи сигналов управления. Магнитные строчки записи видеосигнала 3 наклонены по отношению к продольному краю

ленты на угол q приблизительно равный5°58¢. Линейная скорость движения ленты составляет 2,34 см/с.

Сигнал цветного ТВ изображения системы SECAM-III записывается с предварительным разделением с помощью фильтров на два сигнала: яркости EY и цветности Eцв (рис. 10.7, а). Выделенный ФНЧ с полосой пропускания около 3 МГц сигнал EY поступает на частотный модулятор, где он преобразуется в ЧМ сигнал яркости с поднесущей частотой f0 = 3,8 МГц (см. рис. 10.7, б). Сигнал цветности Eцв на двух поднесущих частотах, выделенный полосовым фильтром со средней частотой 4,43 МГц и полосой пропускания около1 МГц, преобразуется методом деления частоты в сигнал с низкими поднесущими частотами (см. рис. 10.7, б). При четырехкратном уменьшении частоты поднесущих цветоразностных сигналов вчетверо сокращается и диа-

Рис. 10.7. Схема записи полного сигнала цветного телевидения

вформате записи VHS

а– частотные спектры разделенных сигналов яркости и цветности;

б– частотные спектры преобразованных сигналов яркости

ицветности

пазон девиации частоты. Таким способом осуществляется одновременная запись в одном канале сигналовEY и Eцв, разнесенных по спектру частот.

Формат VHS имеет ряд существенных недостатков. Они связаны, в первую очередь, с сокращением полосы частот сигнала яркости EY до 3 МГц, с записью одной боковой полосы ЧМ сигнала яркости, с достаточно узкой полосой записываемых частот канала цветности. В целом все это ухудшает разрешающую способность ТВ изображения до 250–300 строк при его воспроизведении.

Конструкция бытового видеомагнитофона. Обобщенная функ-

циональная схема современных бытовых видеомагнитофонов приведена на рис. 10.8. В ней можно выделить следующие основные функциональные блоки [2].

1. Блок сопряжения видеомагнитофона с ТВ приемником3 содержит распределитель высокочастотных сигналов 2 с входами для подключения ТВ антенны и ультракоротковолнового передатчика 7. Выход распределителя соединен со встроенным в видеомагнитофон тюнером1 и с помощью отрезка ТВ кабеля – с антенным входом приемника 3. Тюнер состоит из селектора сигналов 4, двух трактов усиления промежуточной частоты – изображения 5 и звука 6. Механический переключатель S предназначен для выбора источника сигнала (внешнего или внутреннего).

Рис. 10.8. Функциональная схема бытового видеомагнитофона

2. На входы блока записи – воспроизведения 12 ТВ сигнал поступает через устройства автоматической регулировки усиления(АРУ) в канале изображения 8 и в канале звука 10. Ключевая АРУ 8 управляется селектором строчных импульсов 9. Две видеоголовки, расположенные на вращающемся диске блока видеоголовок14, обеспе-

чивают запись и воспроизведение ТВ сигналов. Магнитная головка 15 обеспечивает общее стирание магнитной ленты, головка 16 – дополнительное стирание в канале звука, а головка 17 служит для записи – воспроизведения сигналов звукового сопровождения. Магнитные головки 15–17 являются неподвижными. Привод вращающегося диска блока видеоголовок осуществляется бесколлекторным электродвигателем постоянного тока20, питающимся от электронного коммутатора 19.

3.Блок САР обеспечивает обусловленное форматом видеозаписи соотношение между скоростями движения и положением видеоголовок относительно магнитной ленты. В состав блока входят САР скорости диска (СД) блока видеоголовок 18 и САР скорости магнитной ленты (СЛ) 23, управляющей электродвигателем ведущего вала

25.Составляющими САР СЛ является канал управления21, осуществляющий запись – воспроизведение сигналов управления с помощью универсальной головки22, и регулятор «Трекинг», дающий возможность подстройки САР СЛ вручную по качеству воспроизводимого ТВ изображения. Селектор цифровых импульсов 11 и делитель частоты 13 используются для формирования опорного сигнала САР в режиме записи.

4.Блок микропроцессорного управления 24 состоит из микро-ЭВМ, сенсорной панели и таймера с устройством отображения дискретной информации. Блок обеспечивает формирование жестких последовательностей команд, управляющих многодвигательным лентопротяжным механизмом видеомагнитофона в переходных режимах, а также его защиту от эксплуатации в непредусмотренных ситуациях. Последние определяются по состоянию датчиков, находящихся в блоке САР

илентопротяжном механизме. Таймер обеспечивает возможность программированного включения и выключения режима«Запись» видеомагнитофона и индикации программы устройством отображения. Основой таймера являются электронные часы.

Особенностью рассмотренной конструкции блока сопряжения яв-

ляется независимость работы ТВ приемника и видеомагнитофона. В принципе, селектором каналов ТВ приемника можно выбрать для просмотра видеозаписи любой из радиоканалов, выделенных для ТВ вещания, и только при установке селектора каналов в положение, соответствующее подстройке передатчика 7, контролируются ТВ сигналы, воспроизводимые видеомагнитофоном.

10.3. Цифровая магнитная запись электрических сигналов

Цифровая запись звуковых сигналов. Для осуществления запи-

си – воспроизведения звуковых сигналов в полосе частот до20 кГц с динамическим диапазоном свыше 90 дБ требуются: значение частоты

дискретизации 48 кГц; минимальное количество разрядов на отсчет 16. Вследствие этого для стереозаписи с учетом добавления проверочных данных помехоустойчивого кода скорость передачи информа-

ции составляет 2,5 Мбит/с. Если lmin = 3 мкм, то для записи цифрового звукового сигнала на две дорожки потребуется скорость движе-

ния магнитной ленты1,9 м/с. При этом время звучания компакткассеты составит 1,5 мин. Это совершенно неприемлемо с технической точки зрения.

Уменьшение скорости движения ленты при цифровой записи -мо жет быть достигнуто за счет увеличения числа дорожек при одновременном уменьшении их ширины по сравнению с дорожками аналоговой записи.

Другой способ записи широкополосного цифрового звукового сигнала на ленту состоит в реализации требуемой высокой относительной скорости движения ленты относительно головки. Чтобы достичь желаемого результата при малом расходе ленты, используются головки, установленные на вращающемся диске. Такие способы применяются в аналоговой видеозаписи.

Одно из главных достоинств техники записи вращающимисяго ловками – возможность достижения большой плотности по сравнению с продольной многодорожечной записью.

Особенности цифровой видеозаписи. Технология современного ТВ вещания требует многократной (до 10 раз) перезаписи отдельных ТВ программ. В случае использования аналоговых видеомагнитофонов при перезаписи возрастают линейные и нелинейные искажения, ухудшается отношение сигнал–шум примерно в 2 раза. Очевидно, что при большом числе перезаписей качество воспроизводимого ТВ сигнала становится крайне низким.

Цифровая видеозапись имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с аналоговой. Например, в цифровых видеомагнитофонах за счет регенерации сигнала число перезаписей практически не влияет на качество воспроизводимых ТВ сигналов. Кроме того, удается уменьшить влияние неидеальности и нестабильности аппаратурных характеристик отдельных узлов видеомагнитофона на качество воспроизводимого ТВ сигнала. Облегчается эксплуатация аппаратуры

видеозаписи, так как отпадает необходимость в ее периодических регулировках.

Однако реализация достоинств цифровой видеозаписи связана с

13,5 МГц, а цветоразностных сигналов – 6,75 МГц. Все три сигнала

кодируются методом импульсно-кодовой модуляции восьмиразрядным двоичным кодом. В целом скорость цифрового потока, который должен записываться и воспроизводиться цифровым видеомагнитофоном при реализации базового стандарта цифрового телевидения 4:2:2 с учетом четырех звуковых цифровых каналов, приблизительно составляет 220 Мбит/с.

Запись такого большого цифрового потока при том же расходе магнитной ленты, как в аналоговой видеозаписи, требует значительного увеличения плотности записи(примерно в 10 раз). Достигается

это как уменьшением длины волны записываемого сигналаl, т.е. повышением продольной плотности записи, так и уменьшением ширины дорожек записи (повышение поперечной плотности записи). Более предпочтительно использование узких дорожек записи.

Другой важной характеристикой систем цифровой видеозаписи является достоверность записи, определяемая вероятностью ошибки (сбоя). Ошибки могут быть как одиночные, вызванные в основном действием шума в канале записи– воспроизведения, так и групповые (пакеты ошибок), обусловленные выпадениями в воспроизводимом сигнале, которые особенно возрастают при большой плотности записи.

Достоверность видеозаписи зависит от используемого кода для снижения влияния помех в канале изображения видеомагнитофона. Известно, что цифровые ТВ сигналы стандарта4:2:2 формируются в коде без возврата к нулю(БВН), который не имеет ограничений по длине серий 1 и 0. Однако код БВН не может быть использован непосредственно для записи на магнитную ленту цифровых ТВ сигналов. Это связано с тем, что АЧХ канала записи– воспроизведения имеет спад в области нижних и верхних частот. Отмеченные обстоятельства вынуждают прибегнуть к канальному кодированию, т.е. преобразованию исходного кода для придания ему свойств, необходимых для согласования с АЧХ тракта записи – воспроизведения.

В настоящее время известно несколько кодов, используемых в цифровой видеозаписи, например коды Рида–Соломона, Миллера.

Форматы цифровой записи ТВ сигналов. В 1986 г. был принят единый международный формат цифровой записи ТВ сигналов(D-1), в основе которого лежит стандарт цифрового телевидения4:2:2.

В этом случае осуществляется наклонно-строчная запись цифровых данных блоком из четырех видеоголовок, расположенных на диске диаметром 75 мм, вращающемся со скоростью 150 об/с. Видеозапись производится на магнитной ленте шириной19 мм, перемещающейся со скоростью Vл = 286,875 мм/с. Минимальная длина волны записи lmin = 0,9 мкм. Сравнительно большое значение lmin уменьшает влияние выпадений сигнала на качество воспроизводимого ТВ изображения.