Лекция № 12 Методы и устройства аналоговой записи телевизионных изображений

Вопросы

1. Принципы записи телевизионных изображений на магнитную ленту.

2. Форматы записи видеоизображений на магнитную ленту.

Цель лекции:

-Изучить современные возможности аналоговой записи видеосигнала на магнитную ленту,

-увидеть тенденции развития специализированных телевизионных систем,

-понять работу основных узлов видеомагнитофонов.

1. Принципы записи телевизионных изображений

Когда в 50-х гг. наступила эра электронного телевидения и возникла сильная потребность в записи видеосигнала, были сделаны попытки использовать опыт звукозаписи. Запись звука в то время осуществлялась тремя методами: механическим (грамзапись), фотографическим (на кинопленку) и магнитным (на магнитную пленку). Для видеозаписи первоначально были использованы все три пути, чтобы выявить наиболее приемлемый из них с точки зрения качества и стоимости записи. Рассмотрим эти способы записи в порядке значимости.

Фотографический метод обеспечивает высокую плотность записи информации, однако, требует сложного и длительного процесса обработки фотослоя и не позволяет вторично использовать носитель информации.

Простейший метод фотографической записи заключается в киносъемке телевизионного изображения с экрана кинескопа. Однако он не обеспечивает высокого качества изображения из-за нелинейности и малой широты градационных характеристик кинескопов. Запись цветных изображений таким способом особенно сложна. Поэтому метод фотографирования с экрана кинескопа использовался редко.

Некоторое время спустя после перехода на цветное телевизионное вещание оптическая запись не смогла конкурировать с магнитной по целому ряду экономических и технических параметров.

Рисунок 12.1  К принципу записи на магнитную плёнку

Запись телевизионных изображений на магнитную плёнку. Магнитная запись телевизионных изображений благодаря оперативности получила наибольшее распространение.

Специфика видеосигнала и неодинаковая заметность иска­жений разного вида у видеосигнала и звука обусловили появление ряда дополнительных требований к видеомагнитофону по сравне­нию с аппаратами звукозаписи. Поэтому запись телевизионных изображений стала возможной только благодаря значительному усовершенствованию всех элементов и повышению качественных показателей системы магнитной записи.

Как известно, магнитная запись осуществляется на ферромагнитном носителе (например, ленте) 4 (рисунок 12.1) посредством магнитной головки 1 с зазором , к которому непосредственно прилегает ферромагнетик. В процессе записи магнитная лента равномерно перемещается относительно головки и при этом намагничивается магнитным полем в зазоре 3 головки. Амплитуда магнитного поля намагничивания соответствует сигналу, подводимому к обмотке 2 головки. В процессе воспроизведения магнитная лента протягивается аналогичным образом относительно зазора приемной головки, в обмотке которой возбуждается электродвижущая сила (э. д. с.) за счет остаточного намагничивания ферромагнетика.

Для качественной ленты полоса воспроизводимых частот определяется эффективной шириной зазора магнитной головки и скоростью перемещения ленты:

. (1.1)

Сравнительно легко обеспечить зазор мкм (эффективный зазор при этом =5 мкм). Уникальными являются головки с зазором в 1 мкм. Полагая мкм, определим, что для записи звукового сигнала в полосе 10 кГц достаточно иметь скорость перемещения пленки

м/с,

а для записи телевизионного изображения в полосе 6 МГц 

м/с,

т. е. в 600 раз больше, чем при записи звука. Нетрудно подсчитать, что при таком способе записи для часовой программы потребуется 108 км пленки. При таких скоростях пленка испытывает большие динамические нагрузки, поэтому она должна быть прочной, а, следовательно, достаточно широкой и толстой. В 1954 г. фирма RCA (Radio Corporation of America) продемонстрировала устройство магнитной видеозаписи с продольной записью на ленту, движущуюся вдоль магнитных головок с огромной для звукозаписи скоростью (19,5 м/c). Распространения система не получила, так как был слишком мал коэффициент использования поверхности пленки, неэффективно использовался объем кассеты. Кроме того, был велик расход материала и, следовательно, стоимость такого способа записи была слишком высока.

Поперечно-строчная запись. Эра практического применения видеозаписи началась в результате разработки в 1956 г. фирмой Ampex (США) принципа поперечно-строчной записи на магнитную ленту вращающимися магнитными головками. Для повышения плотности записи информации на пленке и уменьшения скорости ее протяжки использовали достаточно широкую ленту и соориентировали вращающиеся головки так, что направление движения ленты и направление записи составили угол около 90°. Достигается это тем, что в районе расположения магнитных головок с помощью специальной направляющей магнитной ленте 4 (рисунок 12.2) придается форма цилиндрической поверхности.

Четыре магнитные головки 3 располагаются на диске 2 так, что при его вращении с помощью двигателя 1 одна из головок касается поверхности ленты. В результате ее поступательного движения и вращательного движения головки образуются поперечные дорожки 2 (рисунок 12.3) записи видеосигнала.

Рисунок 12.2  Метод поперечной записи

Дорожка записи оказывается разделенной на видеострочки, причем информация, содержащаяся в каждой из них, является продолжением информации предыдущей строчки.

Этот принцип позволил достичь высокой относительной скорости магнитной ленты относительно головки (несколько десятков метров в секунду), что обеспечивало запись широкого частотного диапазона видеосигнала (МГц). При этом скорость движения самой ленты удалось снизить до несколько десятков сантиметров в секунду.

Рисунок 12.3  Положение дорожек при поперечной записи

В магнитофонах с поперечно-строчной записью помимо видеоинформации ведётся запись дополнительной служебной информации. Положение дорожек, образующихся при записи, иллюстрирует рисунок 12.3. Дорожка 1 звукового сопровождения располагается вдоль ленты. Для согласования работы четырех каналов (по числу головок) используется дорожка управления 4. Дорожка 3 предназначена для записи режиссёрских указаний.

Этот способ сделал возможным запись видеосигналов с по­лосой частот, достигающей 4 МГц на магнитную ленту шириной 50,8 мм при скорости движения ленты 38 см/с. TV-сигналы записы­вались и воспроизводились с относительной скоростью 38 м/с четырьмя видеоголовками. Подобные аппараты обеспечили внедрение магнитной записи те­левизионного сигнала в систему вещания, совершив революцион­ное преобразование телевизионного вещания всего мира.

Поскольку магнитные головки записывают дорожку поперёк ленты (точнее под небольшим углом к поперечному направлению, как показано на рисунке 12.3), то используют широкую (два дюйма или 50,8 мм) ленту, что ведёт к значительным размерам и большой массе аппарата. Кроме того, необходимость строгого согласования движения четырех головок, обеспечения одинакового прижима к ним ленты, идентичного усиления в каналах, компенсации частотных искажений и т. д. потребовала для высококачественной записи изображений создания сложной, громоздкой и дорогой аппаратуры. Поэтому четырехголовочные магнитофоны с поперечно-строчной записью используются, как правило, в телевизионных студиях.

24 декабря 1959 г. на заводе "Ленкинап" (ныне ЛОМО) были произведены запись и воспроизведение 30-минутной программы на образце первого отечественного видеомагнитофона, разработанно­го с участием Всесоюзного института телевидения (г. Ленинград) и Научно-исследовательского Кинофотоинститута (г. Москва).

Этот день следует считать днем рождения в нашей стране магнит­ной записи телевизионных программ - сигналов телевизионного изображения и сигналов звукового сопровождения. Выполнено это было полностью на отечественной аппаратуре с использованием отечественной элементной базы. В основу этого варианта был по­ложен поперечный способ записи с использованием ленты шири­ной 70 мм, что было вызвано более высокими требованиями оте­чественного стандарта к вещательному телевизионному сигналу. Кроме того, на ленту записывались так же два канала звукового сопровождения для обеспечения двуязычного вещания в респуб­ликах страны.

Несмотря на то, что уже давно имеются более совершенные и более компактные студийные видеомагнитофоны, аппараты этого типа будут использоваться ещё долго. Это определяется тем, что большое количество фондовых записей выполнено именно на этих магнитофонах.

Наклонно-строчная запись. Важнейшим этапом в развитии видеозаписи стало применение в видеомагнитофонах наклонно-строчной записи. С одной стороны, это было вызвано стремлением уменьшить число магнитных головок, что несколько упрощает и удешевляет видеомагнитофон. С другой стороны это соответствует естественному стремлению уменьшить большую ширину применяющейся магнитной ленты.

Суть способа наклонно-строчной записи состоит в том, что в зоне контакта ленты с вращающимися головками она изгибается в форме отрезка винтовой спирали, внутри которой и вращается диск с одной или двумя головками. Строка записи при этом расположена под небольшим углом (несколько градусов) к краю магнитной ленты и может иметь поэтому значительно большую протяжённость, чем при поперечно-строчной записи. Как показано на рисунке 12.4, для двухголовочного магнитофона участок ленты 4, охватывающий направляющий цилиндр 1, несколько длинее соответствующего участка боковой поверхности цилиндра. Направляющий цилиндр 1 состоит из двух частей, установленных одна над другой с небольшим зазором, в котором вращается диск 2 с двумя головками 3 (на рисунке 1.5 вторая головка не видна, т.к. находится на противоположной стороне диска). В результате протягивания ленты магнитные головки формируют наклонные дорожки записи.

При переходе к наклонно-строчной записи в ВМ с постепен­ным уменьшением угла отклонения оси барабана вращающихся головок от вертикали и увеличением диаметра барабана все длин­ней становились видеодорожки на магнитной ленте, что позволило, во-первых, перейти от очень дорогой и капризной в эксплуатации 2-дюймовой ленты сначала к дюймовой (25,4 мм), а затем и к полудюймовой (12,56 мм), а, во-вторых, уменьшить количество оборо­тов барабана видеоголовок до 25 в секунду и уменьшить до 2 ко­личество видеоголовок. Таким образом, в ВМ постепенно перешли от «сегментной» записи телевизионных кадров, т.е. такой, в кото­рой за каждый проход видеоголовки по ленте передается только часть поля телевизионного изображения, к «несегментной», когда барабан вращается со скоростью 25 об/с и каждая из 2 видеоголо­вок записывает на ленте телевизионный полукадр, что позволяет при неподвижной ленте обеспечить воспроизведение стоп-кадра.

Важным этапом в развитии магнитной записи можно считать применение в магнитофонах вместо открытого рулона видеоленты закрытых кассет с лентой. Впервые они были применены ещё в 1965 г., однако, наибольшее распространение получили при использовании наклонно-строчной записи. Применение видеокассет имело много преимуществ. Во-первых, кассеты защитили ленту от прикосновения рук, от непосредственного загрязнения и прямых механических воздействий, что положительно повлияло на качество видеозаписи. Во-вторых, именно кассеты, благодаря простоте обращения с ними в эксплуатации, способствовали широкому распространению видеомагнитофонов в быту и вообще для непрофессионального применения. Это, в свою очередь, явилось стимулом для совершенствования видеотехники.

Рисунок 12.4  Положение магнитной ленты в двухголовочном магнитофоне с наклонно-строчной записью

Как видно, наклонно-строчная запись осуществляется в зоне, имеющей значительную протяженность. Это обеспечивается большим углом охвата лентой направляющего цилиндра: для двухголовочных магнитофонов угол охвата составляет 180⁰, для одноголовочных  360⁰. Другими словами, если обеспечить угол охвата диска вращающихся видеоголовок в 180⁰, то можно использовать две видеоголовки, а при угле охвата в 360⁰ достаточно одной головки. На диске может устанавли­ваться от 1 до 4 видеоголовок. Количество их определяется диа­метром диска с вращающимися головками (БВГ) и углом охвата лентой БВГ. Способы записи сигналов изображения на магнитную ленту приведены на рис. 12.5.

Различному углу охвата соответствуют и различные типы лентопротяжных механизмов: для угла охвата 180⁰ схема хода ленты в узле записи напоминает латинскую букву U. Поэтому видеомагнитофоны с таким лентопротяжным механизмом имеют название «U-matic». Для угла охвата 360⁰ схема хода ленты в узле записи может быть двух видов, напоминая очертаниями греческие буквы и (рисунок 12.6).

Рис.12.5 Возможные варианты охвата магнитной лентой БВГ при использовании 2, 3, 4 видеоголовок

С одной стороны, для увеличения плотности записи видео­грамм необходимо увеличивать число строчек, расположенных на единице длины магнитной ленты. С другой стороны, уменьшение ширины строчки записи вызывает ухудшение отношения сиг­нал/шум в воспроизводимом сигнале изображения и возможно до определенного предела. Поэтому необходимо было создать в сигналограмме защитные промежутки между строчками записи (рис. 12.7).

Рисунок 12.6  Некоторые типы построения узла видеомагнитофона: M-образный, U-образный, -образный, -образный, -образный.

Для неискаженной передачи телевизионного сигнала канал записи-воспроизведения должен обладать оптимальными значе­ниями целого ряда параметров. К ним, в частности, относятся ам­плитудно-частотная и импульсная характеристики, дифференци­альные искажения, характеристики входящих в каналы электрон­ных систем преобразований и др.

Рис. 12.7 Сигналограмма наклонно-строчной записи

Какие особенности TV-сигнала отличают его от других сигналов?

• высокая верхняя частота TV-сигнала;

• широкий частотный диапазон с отношением fmax /fmin более 100 000 раз;

• необходимость точного поддержания временных соотно­шений, существовавших в исходном сигнале.

• необходимость достаточно высокого превышения сигнала над шумом.

Для записи телевизионного сигнала надо иметь тракт при­мерно в 100... 150 раз более широкополосный, чем для звукозапи­си. Очевидно, что для осуществления записи - воспроизведения видеосигналов необходимо уменьшить отношение высшей часто­ты в спектре записываемого сигнала к низшей, т.е. осуществить относительное сжатие частотного диапазона. При этом условия записи и воспроизведения будут тем более благоприятными, чем выше степень сжатия. Это связано не только с выбором оптималь­ного режима намагничивания, но также и с тем, что в этом случае частотная характеристика тракта в пределах полосы пропускания оказывается более равномерной и, что особенно важно, отноше­ние сигнал/шум может быть обеспечено достаточно высоким в пределах всего диапазона частот.

При обычной записи из-за большого перекрытия частотного диапазона () уровень телевизионного сигнала в области низких частот становится ниже уровня шумов. Избежать этого удается путем смещения спектра в более высокочастотную область, например от 0,5 до 6,5 МГц, при этом перекрытие частотного диапазона уменьшается до 13. Простейший способ смещения спектра за счет амплитудной модуляции (АМ) с подавлением одной боковой полосы оказывается непригодным из-за возникновения больших амплитудных искажений сигнала, вызываемых разной чувствительностью головок, изменением прижима головок к ленте и т. д. Поэтому в рассматриваемых системах применяется способ узкополосной (с индексом модуляции меньше единицы) частотной модуляции (ЧМ). При этом ширина спектра ЧМ сигнала мало отличается от спектра АМ сигнал и примерно равна удвоенной ширине спектра модулирующего сигнала. Несущая частота незначительно выше модулирующей частоты. В профессиональных устройствах магнитной записи, где требуется высокое качество воспроизведения, используются обе боковые полосы ЧМ сигнала, а в бытовых  нижняя и частично подавленная верхняя боковая полоса. Это приводит к дополнительным искажениям, которые считаются допустимыми для данного класса устройств.

Преобразование спектра ПТВС показано на рис. 12.8. Спектр сигнала цветности путём гетеродинирования переносится в область нижних частот от 0 до 1 МГц. При сложении его с ЧМ сигналом яркости получается записываемый сигнал, показанный на рис. 12.8, в. На рисунке представлен порядок преобразования сигнала: (а)  спектр входного видеосигнала (1  АМ-сигнал яркости, 2  ЧМ-сигнал цветности); (б)  спектры сигналов яркости 1 и цветности 2 после разделения и ограничения; (г)  спектр сигнала, поступающего на видеоголовки после преобразования сигнала цветности 1 и сигнала яркости 2.

Рис. 12.8 Сжатие частотного диапазона ПТВС

Это решение используется во всех типах магнитофонов, независимо от их конструкции.

Выводы по вопросу:

- телевизионный сигнал может быть записан на магнитную ленту при достаточно высокой относительной скорости системы лента-головка (от единиц до десятков метров в сек);

- высокую скорость ленты относительно головки может обеспечить наклонно-строчная запись с помощью блока вращающихся головок;

- при наклонно-строчной записи появляется возможность режима «стоп-кадра»;

- для уменьшения относительной скорости системы лента-головка во всех типах видеомагнитофонов используется сжатие частотного диапазона ПТВС с помощью фильтрации и частотного модулирования сигналов яркости и цветности;

- используемая в магнитной записи частотная модуляция отличается от обычных ЧМ систем двумя основными особенностями:

1. несущая частота незначительно превышает верхнюю модулирующую частоту;

2. индекс модуляции значительно меньше, чем в других системах частотной модуляции.

2. Форматы записи видеоизображений на магнитную ленту

Cпецифические особенности того или иного видеомагнитофона определяются форматом видеозаписи, т.е. стандартизированным способом записи, параметрами записываемого сигнала, размерами и расположением дорожек записи на ленте заданной ширины. Основные параметры некоторых систем видеозаписи, каждая из которых имеет свой формат, приведены в таблице 12.1.

Таблица 12.1. Основные параметры распространенных

систем видеозаписи

Характеристика	VHS	S-VHS	Video-8		Hi-8
Количество видеоголовок	2	2	2		2
Диаметр диска БВГ, мм	62	62	40		26
Скорость вращения об/с	25	25	25		25
Количество дорожек на ленте за один оборот	2	2	2		2
Скорость лента-головка м/c	4,85	4,85	3,12		3,12
Угол видеодорожки, град.	5,96	5,96	4,91		4,91
Азимут, град.
Ширина дорожек, мкм	49,0	49,0	34,4		34,4
Лента	Кобальт, оксид железа, диоксид хрома		Металлопорошковая, металлонапыленная
Ширина ленты, мм	12,65	12,65	8,0	8,0
Скорость ленты, мм/с	23,39	23,39	20,05	20,05
Макс. Частота записи	4,8	7,0	5,4	7,7

Каждый из форматов имеет определенные достоинства и недостатки. Для определения оптимального формата видеозаписи необходимо учитывать не только присущие ему качественные показатели записи изображения и звука, а также его функциональные возможности, но и эксплуатационные и экономические показатели.

В бытовых видеомагнитофонах наиболее часто применяются видеосистемы формата VHS (Video Home Sistem). Рассмотрим эти системы более подробно.