Запись информации на магнитный носитель

Запись информации на магнитный носитель

Прежде чем рассматривать процессы записи информации, введем полезное понятие - намагничивающий импульс рабочего поля головки.

Выделим малый элемент носителя и будем наблюдать за величиной напряженности поля головки, действующего на этот элемент (см. рис. 1) в процессе движения носителя.

Рисунок 1

До момента времени t₁ элемент носителя находится вне магнитного поля головки, т.е. напряженность магнитного поля Н = 0. С момента времени t₁ по t₂ напряженность магнитного поля Н нарастает по мере приближения элемента носителя к зазору головки, затем, до момента времени t₃, остаётся неизменной.

Наконец, на интервале времени t₃ - t₄ спадает до нуля. Эти изменения напряженности магнитного поля, воздействующего на элемент носителя, показаны на рисунке 2

Рисунок 2

Как видно из рисунка, изменения напряженности магнитного поля, воздействующего на элемент носителя, имеют форму импульса. Этот импульс называют намагничивающим импульсом рабочего (пишущего) поля головки.

Высота намагничивающего импульса зависит от величины тока, протекающего в обмотке головки. Если в обмотке протекает переменный ток, то высота импульса будет изменяться во времени пропорционально мгновенным значениям тока. Если период переменного тока соизмерим с длительностью намагничивающего импульса t₄ - t₁, то может измениться и форма импульса (см. рис. 3).

Рассмотрим теперь процессы записи на магнитный носитель.

Существует несколько способов записи:

§ запись без подмагничивания;

§ запись с подмагничиванием постоянным магнитным полем «позитивная»;

§ запись с подмагничиванием постоянным магнитным полем «негативная»;

§ запись с подмагничиванием переменным магнитным полем.

Рассмотрим их более подробно:

1) Запись без подмагничивания

Рассмотрим случай, когда ток сигнала, подаваемый в обмотку головки, меняется медленно или, другими словами, длина волны записи л много больше ширины рабочего зазора головки д. В этом случае величина тока не успеет существенно измениться за время действия намагничивающего импульса и форма намагничивающего импульса будет близка к трапецеидальной. Располагая кривыми намагничивания для рабочего слоя носителя нетрудно определить, какую остаточную намагниченность приобретет элемент носителя, проходящий мимо рабочего зазора ( см. рис. 4).

Рисунок 4

До момента времени Т₁ напряженность намагничивающего поля, действующего на элемент носителя, равна нулю. С момента времени Т₁ по момент Т₂ напряженность намагничивающего поля растет до значения Н_мах. Соответственно, намагниченность элемента носителя М возрастает до значения, определяемого точкой 1. В момент времени Т₃ напряженность намагничивающего поля начинает убывать, стремясь к нулю. Но теперь намагниченность элемента носителя не может вернуться к нулю по кривой начального намагничивания. Намагниченность может измениться только в соответствии с кривой гистерезиса, проходящей через точку 1. Когда напряженность намагничивающего поля достигнет нуля, остаточная намагниченность элемента носителя М_r определится точкой пересечения кривой гистерезиса с осью ординат.

Теперь нетрудно представить, как будет изменяться остаточная намагниченность носителя, если в головку подаётся ток, изменяющийся во времени.

Пусть закон изменения тока - гармонический. Тогда и напряженность намагничивающего поля будет изменяться по гармоническому закону. Определяя остаточную намагниченность для ряда моментов времени, нетрудно построить кривую изменения остаточной намагниченности во времени (см. рис 5).

Рисунок 5

Как видно из рисунка, форма кривой остаточной намагниченности носителя М(t) существенно отличается от формы кривой напряженности намагничивающего поля Н(t), т.е. появились искажения записанного сигнала. Эти искажения обусловлены нелинейностью кривой начального намагничивания носителя М(Н).

Величину нелинейных искажений принято оценивать коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник). Кривые начального намагничивания реальных носителей таковы, что коэффициент нелинейных искажений может достигать значений 10% - 15%. Это - большие искажения. Следовательно, такой способ нельзя применять для записи звуковой информации. Его используют при записи импульсных (цифровых) сигналов.

2) Запись с подмагничиванием постоянным магнитным полем:

Запись без подмагничивания создаёт большие искажения. Как же уменьшить искажения? Рассматривая кривые намагничивания, мы замечаем, что кривая начального намагничивания имеет линейный участок (см. рис. 6). Если в процессе записи напряженность намагничивающего носитель поля не будет выходить за пределы этого участка, то искажения будут меньше.

Рисунок 6

Такой режим записи можно реализовать, если в записывающую головку подавать кроме тока записываемого сигнала постоянный ток ( см. рис. 7). Силу постоянного тока нужно подобрать так, чтобы при отсутствии сигнала намагниченность, создаваемая полем постоянного тока, соответствовала середине линейного участка кривой начального намагничивания. Запись, осуществляемую указанным способом, часто называют «позитивной», подчеркивая названием тот факт, что рабочий участок кривой намагничивания располагается в области положительных значений напряженности магнитного поля. Очевидно, что запись должна производиться на предварительно размагниченный носитель.

Рисунок 7

Недостатками позитивной записи являются малая амплитуда остаточной намагниченности, что связано с малой протяженностью линейного участка, и наличие постоянной намагниченности носителя при отсутствии сигнала, благодаря чему растет уровень шума в паузах.

Улучшить показатели записи с подмагничиванием постоянным магнитным полем можно, если использовать «спинку» предельной кривой намагничивания. Для этого необходимо сначала намагнитить носитель до насыщения, а затем перемагнитить его полем обратного направления (см. рис. 8).

Рисунок 8

Практически осуществить такой процесс можно, если использовать головку с двумя зазорами (см. рис. 9).

Рисунок 9

При прохождении над первым зазором носитель намагничивается до насыщения. Проходя над вторым зазором, носитель перемагничивается постоянной составляющей поля, а переменная составляющая магнитного поля обеспечивает запись сигнала. Такой режим записи называют записью на предварительно намагниченный носитель или «негативной» записью, подчеркивая тот факт, что рабочий участок кривой намагничивания находится в области отрицательных значений напряженности магнитного поля. Величина линейного участка «спинки» предельной петли кривой намагничивания более чем в два раза превышает величину линейного участка начальной кривой, а напряженность постоянного поля перемагничивания подбирается так, чтобы уровень шума в паузе был минимальным. При этом динамический диапазон записи получается в несколько раз большим, чем при позитивной записи, а коэффициент гармоник - порядка 2?3%, что позволяет применять этот способ записи в диктофонах и т.п. 3) Запись с подмагничиванием переменным магнитным полем: Дальнейшее повышение линейности процесса записи возможно, если использовать способ записи с высокочастотным подмагничиванием. Для этого в записывающую головку наряду с током записываемого сигнала подают ток высокочастотного подмагничивания (ВЧП). Частота тока ВЧП в 4 - 6 раз больше верхней частоты спектра записываемого сигнала, а амплитуда в 6 - 8 раз превышает наибольшее значение амплитуды записываемого сигнала. Задача тока ВЧП состоит в многократном перемагничивании носителя, разрушении энергетических барьеров, что обеспечивает почти линейную зависимость между током сигнала и намагниченностью носителя. Процесс создания остаточной намагниченности носителя графически показан на рис. 10.

Рисунок 10

В нижней части рисунка показана спадающая часть намагничивающего импульса рабочего поля головки (Hs - напряженность магнитного поля, созданного током сигнала). В верхней части - кривые намагничивания. В процессе удаления рассматриваемого элемента носителя от рабочего зазора головки он несколько раз перемагничивается (точки 1 - 11 на кривой намагничивания). Сначала перемагничивание происходит по вложенным циклам, концы которых скользят по предельной петле гистерезиса (точки 1 - 7). С течением времени размах намагничивающего поля уменьшается и в какой-то момент происходит отрыв конца вложенного цикла от предельной петли ( точка 8). С этого момента концы вложенных циклов скользят по линии А - А, приближаясь к оси ординат графика. Точка пересечения линии А - А и оси ординат определяет остаточную намагниченность Mr элемента носителя. Величина остаточной намагниченности оказывается пропорциональной значению тока сигнала в момент отрыва. Значение размаха напряженности магнитного поля в момент отрыва называют критическим размахом поля Н_К. Экспериментально определено, что критический размах поля Н_К ~ 2Н_С. Т.к. магнитное поле головки неоднородно и, кроме того, существует некоторая неоднородность параметров носителя, то фиксация остаточной намагниченности происходит не при одном значении Н_К, а в некотором интервале значений, которому соответствует зона критических размахов поля (см. рис. 11).

Рисунок 11

Из рисунка следует, что с увеличением тока ВЧП зона критических размахов поля удаляется от зазора. С удалением от зазора ослабевает поле, созданное током сигнала. Следовательно, увеличение тока ВЧП приведет к уменьшению остаточной намагниченности. Это утверждение справедливо, если зона критических размахов захватывает всю толщину рабочего слоя носителя. При малых значениях тока ВЧП зона критических размахов поля захватывает лишь часть толщи рабочего слоя носителя. Поэтому намагничивается не весь рабочий слой. В этом случае увеличение тока ВЧП приводит к увеличению суммарной намагниченности носителя. Таким образом, существует некоторая оптимальная величина тока ВЧП, при которой суммарная остаточная намагниченность рабочего слоя носителя оказывается наибольшей (см. рис 13).

Нелинейные искажения сигнала при записи с ВЧП обычно не превышают 1 - 2 %. Поэтому в современных магнитофонах используется способ записи с ВЧП. Величина коэффициента гармоник зависит от тока ВЧП (см. рис. 13).

Рисунок 13