Моделирование канала записи-воспроизведения на ЭВМ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания

2. Условные сокращения

3. Физические основы магнитной записи сигналов

3.1 Разрешающая способность аппаратуры магнитной записи с точки зрения теории информации

3.2 Шумы, помехи и выпадения

3.3 Физические процессы записи

3.4 Потери при записи

3.5 Потери воспроизведения

3.6 Контактные и слойные потери

3.7 Щелевые потери

3.8 Волновые потери

4. Моделирование канала магнитной записи - воспроизведения с ВЧП на ЭВМ

4.1 Расчет математических моделей основных звеньев канала магнитной записи

4.2 Модели распределения плотности диаграммы Прейсаха

4.3 Расчет модели канала магнитной записи - воспроизведения аналоговых сигналов с ВЧП

5. Экономическая часть

5.1 Сравнительный экономический анализ вариантов расчета характеристик канала записи - воспроизведения

6. Раздел по безопасности жизнедеятельности

6.1 Анализ вредных и опасных факторов рабочего места оператора ПЭВМ

6.2 Комплексы упражнений для снятия напряжения и физкультурные минутки

Список использованной литературы

Приложения

магнитная запись сигнал информация

Введение

Электросвязь, давшая завершившемуся веку одно из многочисленных определений, с момента своего изобретения поставила человечество перед необходимостью записи, воспроизведения и хранения передаваемой на расстояние информации. За минувшее столетие техника магнитной записи электрических сигналов прошла впечатляющий путь от робкой попытки демонстрации некоторых своих возможностей до оформления в самостоятельное научно-техническое направление и создания мощного собственного промышленного потенциала [1]. Магнитная запись звука впервые осуществлена в 1898 году. До этого времени внимание уделялось механической записи. Лишь некоторые изобретатели в Англии, Дании и Германии пытались применить для этого магнитные явления. Однако в то время отсутствовали электрические усилители и поэтому магнитная запись требовала решения весьма сложных проблем, связанных с передвижением с очень высокой скоростью большого объема носителя. Было предложено несколько вариантов устройств, однако они не помогли достижению необходимого качества звука [3].

Первый звукозаписывающий аппарат - “телеграфон”, изобретенный датским физиком В. Паульсеном, произвел на Всемирной парижской выставке в 1900 году глубокое впечатление на всех очевидцев своей способностью быстро записывать и многократно воспроизводить речь. Сигнал записывался на стальную проволоку диаметром около 1 мм, намотанную по спирали на барабан. В качестве записывающей магнитной головки использовался электромагнит, в обмотку которого был включен микрофон. Записанный сигнал воспроизводился другим электромагнитом с включенными в его цепь головными телефонами. Скорость движения стальной проволоки составляла 20 см/с. По современным понятиям технические характеристики этого устройства, в первую очередь величина продольной плотности записи, значение которой характеризует степень совершенства любого современного запоминающего устройства, крайне низкие. Но это скромное по сегодняшним меркам достижение в 1900 г. на Всемирной выставке в Париже было удостоено "Гран При" [1]. Последующие три десятилетия развитие магнитной записи прошли в попытках усовершенствовать характеристики телеграфона и отдельных его составных элементов. Но только в результате усилий Пфлеймера, который изобрел ленточный носитель записи на пластмассовой основе с порошковым магнитным слоем, и Шюллера, сконструировавшего кольцевую магнитную головку с рабочим зазором 20 мкм, устройства магнитной записи приняли современный облик. В 1935 г. на фирме AEG был разработан и изготовлен аппарат Т1, названный магнитофоном. Он имел такие параметры: частотный диапазон записываемых и воспроизводимых сигналов от 50 до 10 000 Гц, скорость движения ленты 77 см/с, динамический диапазон 35 дБ (определяемый подмагничиванием постоянным током) [2].

В 1960-1970 гг. магнитная запись получила достаточно широкое распространение в системах связи.В середине 70-х годов дальнейшее развитие программ космических исследований, связанных, в частности, с орбитальным мониторингом поверхности Земли, потребовало разработки нового класса бортовой регистрирующей аппаратуры - высокоинформативных ЗУ, способных записывать и воспроизводить потоки видеоинформации со скоростью более 15 Мбит/с.

Создание высокоинформативных ЗУ (ВЗУ) во многом зависело от достигнутого прогресса в смежных областях научной и практической деятельности и стало возможным после проведения большого объема исследований и получения положительных результатов по всем аспектах этой проблемы. К ним относится создание высококоэрцитивных магнитных лент, разработка широкополосных многодорожечных блоков магнитных головок на базе магнитных материалов с бездефектной структурой, разработка методов высокоплотной записи и кодирования сигнала, создание элементной базы с высокой степенью интеграции для записи и последующего воспроизведения сигналов с малым уровнем в широком частотном диапазоне.

Концепция построения каналов записи-воспроизведения предусматривала обеспечение максимальной продольной плотности записи на всех скоростях транспортирования магнитного носителя при заданной достоверности воспроизведения цифровых сигналов и обычно составляла 1300 бит/мм при количестве дорожек 32 или 42 по стандартам ISO [2].

Блоки магнитных головок (БМГ), являвшиеся "узким" местом в ряду технологий, используемых при создании ВЗУ такого класса, были освоены отечественной промышленностью. При этом применялись уникальные высокоточные станки и прецизионные устройства контроля конструктивных параметров БМГ. Например, качество поверхности БМГ оценивалось на интерферометрических установках [1].

В настоящее время магнитная запись совершенствуется с использованием средств вычислительной техники.

Математическое моделирование с помощью ЭВМ получает все более широкое распространение во многих областях науки и техники. Оно ”превратилось” в универсальный метод исследования различных процессов и систем, позволяющих значительно повысить производительность и объем исследования, сократить сроки и стоимость разработки и часто решает задачи, не поддающиеся исследованию традиционными экспериментальными и аналитическими методами. Исследования на математических моделях с помощью ЭВМ в последние годы все шире внедряются в практику разработки аппаратуры магнитной записи и ее элементов. В начале они получили распространение среди разработчиков аппаратуры цифровой магнитной записи, имеющих опыт применения ЭВМ. В дальнейшем полученный опыт начал использоваться при исследованиях и разработках аппаратуры аналоговой магнитной записи с высокочастотным подмагничиванием.

Значение моделирования на ЭВМ в теории и технике магнитной записи трудно переоценить. Исключительная сложность процессов, происходящих при записи и воспроизведении сигналов, а также необходимость учета большого числа факторов, сильно влияющих на характеристики аппаратуры, несколько повышают трудоемкость анализа при проектировании и исследованиях, что традиционные инженерные методы расчета редко находят применение на практике. Известно, что в связи с этим при разработке и исследованиях аппаратуры до последнего времени в основном используются экспериментальные методы оценки ее характеристик.

В начале ЭВМ применялись главным образом для повышения производительности известных аналитических методов исследования, связанных, например, со спектральным преобразованием. Применение численных методов, наиболее эффективных при использовании ЭВМ, например итерационных и вариационных процедур, матричных методов решения нелинейных уравнений со многими неизвестными, стохастических алгоритмов и других методов, позволило значительно расширить объем и повысить точность анализа.

Поэтому на моделирование с помощью ЭВМ возлагаются большие надежды, и оно уже показало себя как эффективное средство, способствующее убыстрению разработок и исследований аппаратуры, исключающее в ряде случаев необходимость изготовления дорогостоящего экспериментального оборудования. Оно широко использовалось при разработке и внедрении носителей записи с тонким металлизированным рабочим слоем, тонкопленочных магнитных головок и применения при исследованиях процесса записи с перпендикулярным намагничиванием, что содействует развитию этих перспективных элементов и способов.

Моделирование на ЭВМ можно рассматривать также как инструмент, позволяющий существенно расширить наши знания о процессе магнитной записи, аналитическая и экспериментальная оценка которых затруднительна. Например, только с его помощью удалось подробно исследовать фазовые соотношения в канале магнитной записи, роль процесса саморазмагничивания и ряд других явлений.

Становится все более очевидным, что дальнейшее развитие теории и техники магнитной записи немыслимо без широкого использования методов математического моделирования на ЭВМ. С другой стороны, богатые возможности этих методов ставят новые задачи перед теорией. Отсутствие достаточно обоснованных теоретических предпосылок не давало возможности эффективно использовать вычислительную технику при оценке ряда явлений и процессов, хорошо известных на практике, как, например, векторного характера процесса намагничивания. Внедрение моделирования на ЭВМ послужило в ряде случаев толчком к развитию новых направлений теоретических исследований.

Работы по моделированию на ЭВМ характеристик и процессов магнитной записи освещены в многочисленных публикациях в периодических, в основном в зарубежных изданиях, часто недоступны широкому кругу читателей. Систематическое изложение методических вопросов, связанных с описанием структурной схемы канала магнитной записи, подлежащего моделированию, формированием математических моделей, реализацией их на ЭВМ, исследованием и интерпретацией результатов моделирования, насколько известно авторам, до сего времени публиковалось очень мало.

Главное внимание уделено основной части аппаратуры - каналу прямой магнитной записи-воспроизведения (МВЗ), включающему в себя головку записи, магнитный носитель и головку воспроизведения, методы моделирования которых наиболее сложны и менее изучены.

1. Анализ технического задания

Целью проектирования является разработка программного обеспечения, позволяющего рассчитывать АВХ, ФВХ, импульсной характеристики, коэффициента третьей гармоники канала магнитной записи-воспроизведения аналогового сигнала с использованием ВЧП.

При моделировании должны учитываться все факторы, влияющие на процесс записи-воспроизведения. Но из-за того, что при учете абсолютно всех воздействий сильно возрастает объем вычислений, то приходится отбрасывать малозначащие факторы. Но при моделировании должны учитываться следующие исходные данные:

- Ток ВЧП сильно влияет на линейность характеристики магнитной записи, и, следовательно, должен учитываться. Но, так как проводить моделирование во всем диапазоне изменения значений параметров невозможно, да и не нужно, то надо задать диапазон, в котором будут изменяться значения параметров тока ВЧП. Такими параметрами являются величина тока ВЧП и его частота.

- На линейность записи также влияют тип магнитных материалов рабочего слоя. Но, так как произвести моделирование абсолютно всех типов магнитных материалов рабочего слоя невозможно, то производится моделирование только наиболее распространенных, таких как порошковые (Fe₂O₃, CrO₂, CoFe₂O₃) и металлические пленки (Fe-Co-Ni, Co-Ni).

- На линейность также влияет материал магнитопровода записывающих головок. Из-за большого количества применяющихся при изготовлении магнитных головок нецелесообразно проводить моделирование каждой из них. Из-за чего при моделировании нужно использовать только ограниченное количество использующихся материалов, таких как Пермаллой 80НХС, Альфенол 16ЮХ, Сендаст 10СЮ-ВИ, Аморфный сплав 84КСР-А или монокристаллические ферриты.

Но главное при моделировании это точность. Следовательно, нужно выдерживать установленную погрешность, значение которой не должно превышать 10-20%. Следовательно, погрешность каждого звена канала записи-воспроизведения должно быть еще меньше. Но уменьшение погрешности может, в некоторых случаях, привести к увеличению объема расчетов. Следовательно, нужно выбирать порог погрешности для каждого звена в зависимости от того, насколько это возможно.

2. Условные сокращения

АМЗ - аппаратура магнитной записи

ВЧП - высокочастотное подмагничивание

МЗВ - магнитная запись - воспроизведение

Условные обозначения

a - неконтакт

b - ширина дорожки записи

d - толщина рабочего слоя

Mr - остаточная намагниченность носителя

Hc - коэрцитивная сила

3. Физические основы магнитной записи сигналов

АМЗ применяется для передачи разнообразной информации и канал МЗВ можно рассматривать как канал передачи данных. Кроме ограничения частотного диапазона сверху, ему присущи еще ограничения и снизу из-за дифференцирующего эффекта индукционных головок и неспособности головок конечных размеров воспроизводить сигналы с большой длинной волны. Неравномерность частотной характеристики требует во многих случаях частотной, а иногда и фазовой коррекции. Само понятие частотной характеристики не дает полного описания динамических свойств канала, так как она определяется и скоростью записи - воспроизведения. Поэтому канал МЗВ удобнее описывать волновой характеристикой, однозначно связанной с его параметрами. Параметры канала меняются во времени из-за нестабильности геометрических размеров и магнитных свойств носителя, его положения и скорости движения. Это вызывает помехи, подобные мультипликативным, действующие в канале наряду с аддитивными шумами.

Особенности построения канала МЗВ в различной аппаратуре поясняются на плакате 1.

Непременной частью канала при любом способе записи является участок, заключенный между входом усилителя записи и выходом усилителя воспроизведения, именуемый каналом записи - воспроизведения. Он образуется совокупностью устройств (головок записи, воспроизведения, магнитного носителя и усилительной аппаратуры), обеспечивающих образование (по выбору или одновременно для сквозного канала) каналов записи - воспроизведения. Поскольку в этой части канала информационные параметры сигнала не изменяются, она также называется каналом прямой записи - воспроизведения.

В зависимости от типа АМЗ сигналы в таком канале записываются без подмагничивания или с ВЧП. Последнее используется для линеаризации канала и применяется чаще всего при звукозаписи и точной записи широкополосных сигналов, а также и при цифровой магнитной записи (ЦМЗ) с фазовой модуляцией (ФМ).

Запись без подмагничивания используется при цифровой и модуляционной аналоговой записи. Стремясь получить максимальный уровень воспроизводимого сигнала, используют запись до насыщения. Результатом записи являются чередующиеся участки намагниченности носителя противоположной полярности, длины которых находятся при цифровой записи в дробно-рациональных соотношениях, а при аналоговой определяются законом модуляции. При частотно-модулированной записи наблюдается явление автоподмагничивания, когда спектральные составляющие высокого уровня играют роль ВЧП.

В АМЗ канал прямой записи используется при звукозаписи или при прямой ЦМЗ. Однако, если преобразователи сигналов не входят в АМЗ, возможна и прямая запись модулированных сигналов, например при преддетекторной записи [4].

При исследовании механизма магнитной записи всегда оперируют понятием системы головка - носитель. Под ней понимают подвижную или неподвижную головку, взаимодействующую с перемещаемым носителем записи. Роль и значение этой системы огромны, она в основном обуславливает наиболее важные характеристики запоминающих устройств.

В современных условиях магнитную запись совершенствуют, улучшая свойства носителей записи, магнитных головок и электронных устройств. Однако резервы и трудности, стоящие на пути улучшения выходных характеристик ЗУ, неодинаковы, наибольший эффект дают изменения не в электронике, а в магнитных головках, носителях и в характере их взаимодействия, то есть в улучшении системы головка - носитель.

Наиболее важным параметром этой системы является разрешающая способность.

Понятие разрешающей способности в магнитной записи служит для многих синонимом плотности записи, ибо под ней понимают способность устройства к правильной регистрации и надежному считыванию максимально большого числа однородных сигналов, следующих друг за другом в определенной последовательности. Чаще всего сигналы, которые различает система, имеют вид прямоугольных импульсов.

Разрешающая способность системы всегда меньше разрешающей способности составляющих ее элементов.

3.1 Разрешающая способность аппаратуры магнитной записи с точки зрения теории информации

Определение разрешающей способности через плотностные характеристики аппаратуры магнитной записи является хотя и распространенным, но не исчерпывающим способом ее выражения, так как в нем не использованы представления, развитые в теории информации. Эта теория, рассматривая информацию, отвлекается от смысла сообщений, от их ценности для получателя, но зато определяет ее количественно.

Математический аппарат теории информации построен для случая передачи очень большого числа элементарных сообщений, лежащих выше возможностей человека пересчитать их «по пальцам». Правильность расчетов оценивается в среднем, а не с точностью до любого конкретного сообщения. Здесь везде используется статистический подход к оценке событий, поэтому мера информации I любого сообщения выражается через вероятность p_i его появления [5]:

.(1)

Важными особенностями информации являются возможность ее разделения по каналам и возможность объединения частных сообщений. Такие особенности широко используются в многоканальных ЗУ, где магнитная лента служит общим хранилищем информации.

Наименьшее количество информации записывается на магнитном носителе при однократном перемагничивании его из одного состояния в другое. В общем случае магнитный носитель может иметь не два, а m состояний, имеющих различные вероятности p_i, сумма которых всегда равна единице. Тогда в сообщении, состоящем из N элементов, i состояние будет иметь число элементов, равное Np_i.

При отсутствии взаимной связи между передаваемыми элементами вероятность одинаковых состояний i равна , а вероятность передачи всех элементов в целом

.

Используя выражение (12*), получаем:

.(2)

При равной вероятности всех m состояний p_i=1/m получается максимум информации, переносимой N элементами:

I_max=N?log₂m.

Формула выведена в предположении, что информация передается набором дискретных сообщений. При аналоговой записи используются представления, развитые В. А. Котельниковым, согласно которым непрерывная функция с ограниченным спектром определяется набором дискретных значений в моменты времени, отстоящие друг от друга на t=1/2?F, причем сами моменты выбираются произвольно. На практике реальный сигнал заменяют N дискретными значениями так, чтобы они несли необходимое количество информации. Так, например, в телевидении кадр изображения разбивают на элементы, исходя из приемлемой четкости, не превышающей разрешающей способности глаза.

Таким образом, передача сигнала, определенного на интервале (0--Т) N своими значениями, должна осуществляться в такой полосе частот, что T/N=1/2F. Отсюда верхняя граница полосы частот дискретного сигнала

F=N/2T. (3)

Преобразование сообщения, совершаемое по определенной программе с целью приспособления формы сообщения к каналу связи или ЗУ, называется кодированием. Эту операцию можно проделать различными способами, один из которых является оптимальным. Критерием этого служат равные вероятности возможных значений перекодированных сигналов, когда вся информация равномерно распределяется по элементам.

Кроме задачи кодирования теорию информации интересует проблема выбора полосы пропускания сквозного канала. Если выбрать полосу пропускания запоминающего аппарата больше полосы дискретного спектра сигнала, то на выходе увеличится доля помех; при меньшей же полосе часть компонентов спектра сигнала будет подавлена. Следовательно, существует оптимальная полоса пропускания. Она была найдена Шеноном для случая, когда помехи носят характер «белого шума», а сообщение оптимально кодировано, т. е. для статистической структуры сигнала, подобной структуре белого шума.

Флуктуирующая величина называется «белым шумом», если все ее составляющие статистически независимы и энергетический спектр равномерен.

Количество информации, содержащейся в «белом шуме», можно найти из формулы (2), переходя в ней к интегралу, так как число градаций у «белого шума» неизмеримо больше:

(4)

где u_Ш -- эффективное значение шума, т. е. квадратный корень из средней мощности шума А_ш.

Плотность вероятности значений «белого шума» распределена по нормальному закону:

(5)

Подставив (5) в (4), получим:

.

Сигнал, имея ту же структуру, что шум, содержит количество информации, равное:

Результирующая мощность является суммой из двух составляющих:

А_ВЫХ=А_С+А_Ш.

Сумма двух случайных величин, каждая из которых распределена по нормальному закону, также распределена по "нормальному закону, поэтому количество информации, содержащейся в выходном сигнале, равно:

Следовательно, вычитая из I_С.ВЫХ количество информации /_ш, находим:

Используя (3), получаем:

I=FTlog₂(1+A_C/A_Ш).(6)

Если сигнал и шум имеют иные законы распределения вероятностей, то формула (6) принимает другой вид. В частности, для сигналов, передаваемых с огранйченной пиковой мощностью, получено выражение [6]:

I=FTlog₂(1+?A_C/A_Ш),(7)

где ? - поправочный коэффициент, равный для сигнала треугольной формы ?_ТР=2/?е=0,234, для синусоиды ?_C=?/8e=0,145 и для прямоугольных импульсов ?_ТР=2/?e³=0,032.

Ранее в теории информации широко применялись примеры с ЗУ для объяснения ее основных положений. В настоящее время в магнитной записи используют представления, заимствованные из теории информации; в частности, вводится понятие эффективности записи, определяемое через информационную емкость ЗУ, которое включает в себя и время и длительность регистрации, изучается возможность увеличения плотности, записи с помощью кодов, разработанных в статистической теории связи. По этой причине и разрешающую способность аппаратуры целесообразно характеризовать отношением количества воспроизводимой в единицу времени информации к количеству информации, теряемой в аппарате [7]:

P_ИНФ=I_B/I_T.(8)

Легко доказать, что разрешающая способность по информации удовлетворяет условию

1/P=1/P₁+1/P₂+1/P₃+…1/P_n (9).

Для этого рассмотрим систему из m последовательно связанных звеньев, каждое из которых имеет свою разрешающую способность.

Общее количество информации I, подводимое к данной системе и отнесенное к количеству информации /_в, получаемому после всех ее звеньев, можно представить как

В то же время

,

Поэтому

Пренебрегая членами, меньшими 1/Р_ИНФi, находим аналог условию (9):

1/P_ИНФ=1/P_ИНФ1+1/P_ИНФ2+1/P_ИНФ3+…1/P_ИНФn, (10)

Погрешность здесь меньше 10%, если Р_ИНФ<10.

Покажем теперь, что при соблюдении определенных условий разрешающая способность по информации выражается через разрешающую способность по плотности записи.

Представив формулу (8) в следующем виде:

P_ИНФ=(I/I_T)-1,

замечаем, что Р_ИНФ зависит от произвольно выбранного значения I. Этот факт означает, что результат испытания аппаратуры зависит от теста, который подается на вход, и поэтому возникает задача найти объективный критерий определения Р_ИНФ. Для этого будем нормировать количество теряемой информации, которое пропорционально скорости v носителя записи:

I_T=I_T0v/v₀,

и, следовательно,

Р_ИНФ=I_Bv₀/I_T0v.

Пусть информация, поступающая на вход аппарата, имеет характер «белого шума», и, следовательно, для нее справедлива формула (7). Так как на выходе аппарата отношение сигнал/шум не изменяется при любом расширении или сужении спектра сигнала, то

Р_ИНФ=Fv₀/F₀v=const F/v.

Таким образом, при сделанных допущениях разрешающая способность ЗУ пропорциональна плотности записи и может однозначно через нее выражаться. Однако оперировать плотностью записи будет ошибочно, когда частотная характеристика тракта ЗУ исправляется корректирующими четырехполюсниками. Выравнивая характеристику в заданной полосе, корректоры увеличивают значение шума на выходе тракта, что соответственно сказывается на разрешающей способности устройства.

В заключение подчеркнем, что вводимое с позиции теории информации определение (8) объединяет в себе два представления о механизмах, ограничивающих разрешение в трактах записи-воспроизведения, а именно плотность записи и соотношение между сигналом и шумом. В этом смысле оно существенно отличается от предложения Рибеля [8] определять разрешающую способность ЗУ так же, как это делается в измерительной технике, где под Р понимают число достоверно различимых измерений во всем диапазоне прибора.

3.2 Шумы, помехи и выпадения

В зависимости от своего происхождения различают внешние и внутренние помехи. К внешним помехам относят различного рода наводки от источников электромагнитных полей, пульсации питающих напряжений, самовозбуждение электронных устройств и периодические колебания в движущих механизмах, а к внутренним - шумы, создаваемые усилителями, головками, носителями записи и движущими механизмами.

Обнаружить различного вида шумы в магнитофоне можно с помощью высокочувствительного осциллографа. Закоротив головку воспроизведения перемычкой и включив питание магнитофона, мы заметим шумы усилителя воспроизведения. Они возрастут, если снять перемычку, потому что головка сама по себе является источником шума теплового происхождения, который и прибавляется к шумам усилителя.

Еще большее значение шума получится при проигрывании на магнитофоне кассеты с полностью размагниченной лентой. Оно будет разным в зависимости от того, размагничена лента головкой или в специальном устройстве. В первом случае ее шум будет большим и будет отличаться от шума, создаваемого намагниченной лентой.

В зависимости от причины возникновения шумы называют структурными, если они появляются из-за внутренних неоднородностей в рабочем слое носителя, и контактными, если они вызываются переменным зазором между головкой и лентой. Режекторный фильтр, настроенный на частоту f_b позволяет убедиться в существовании еще одного вида шумов, называемого модуляционным. Для этого следует записать на ленту сигнал с частотой f₁, а шум рассматривать на выходе фильтра, где в результате нелинейности процесса перемагничивания в системе носитель-головка появляются суммарно-разностные составляющие спектров сигнала и шума.

Наконец, в звукозаписи имеет большое значение шум, который слышится как шипение в промежутках между программами и называется поэтому шумом паузы. Он возникает в результате совместного действия на магнитный носитель небольшого постоянного поля, создаваемого, например, намагниченными частями лентопротяжного механизма, и высокочастотного поля записывающей головки.

Все рассмотренные нами шумы возникают при движении носителя записи. Наряду с этим носитель может генерировать шум, находясь неподвижно относительно магнитной головки. В этом легко убедиться, вложив свернутую в несколько раз магнитную ленту в катушку, на которую действует периодически изменяющееся магнитное поле. Вместе со спектром индукции, состоящим из гармонических компонент, мы получим прибавку в виде сплошной составляющей, что указывает на случайные явления в процессе перемагничивания.

Рис.1 Шумовые характеристики магнитофона

1 - частотная характеристика усилителя без коррекции;

2 - частотная характеристика усилителя с коррекцией;

3 - шумы носителя;

4 - шумы после записи и воспроизведения;

5 - шумы носителя, размагниченного в постоянном поле;

6 - шумы после суммарного действия всех постоянных и переменных полей

В общем случае шумы распределяются в заданной полосе неравномерно.

На рис. 1 приведены шумовые характеристики магнитофона МР-70, измеренные при скорости ленты 38 см/с [3]. Кривая 1 представляет собой частотную характеристику усилителя, имеющую на высоких частотах подъем для выравнивания сквозной характеристики тракта записи-воспроизведения. Огибающая спектра шумов усилителя растет приблизительно по закону , но под действием коррекции этот рост убыстряется (кривая 2). Спектральные составляющие собственного шума носителя уменьшаются с частотой по закону 1/, (корректированный шум представляет третья кривая). После записи и воспроизведения шумы увеличиваются примерно на 4,5 дБ (кривая 4). Когда же носитель подвергается действию постоянного поля, шумы возрастают особенно сильно на низких частотах (кривая 5). При одновременном действии постоянных и переменных полей шумы возрастают в 5-10 раз (кривая 6).

Помехи в запоминающей технике по характеру проявления подразделяются так же, как в линиях связи [9]. Мультипликативными называют помехи, возникающие из-за плохого контакта с носителем записи, или в результате электризации, а также обусловленные неоднородностью рабочего слоя, продольными и поперечными колебаниями носителя записи и другими причинами. Они появляются в виде хаотической амплитудной, частотной и фазовой модуляций сигнала на выходе аппарата. Другими свойствами обладают помехи, создаваемые усилителями и активными потерями магнитных головок, а также трением в движущихся механизмах. Их принято называть аддитивными.

Основная причина мультипликативных помех - это дефекты рабочего слоя в виде вкраплений немагнитных частиц. Заметную роль играют здесь также разряды на поверхности ленты, которая электризуется в магнитофонах приблизительно так же, как эбонит или стекло, натираемое сукном. Когда



Рис. 2 Спектр шумов магнитофона

1 - без демпфирующего ролика;

2 - с роликом

под влиянием дефектов рабочего слоя сигнал ослабляется в 10 раз или более, то такое явление называется выпадением. Оно вызывается также частицами пыли или продуктов износа, оседаемых на рабочей поверхности носителя записи. Спектр мультипликативных помех бывает неравномерным, если лента колеблется под воздействием флуктуационных сил трения в лентопротяжных устройствах.

Огибая направляющие стойки, она уподобляется скрипичной струне, настроенной на соответствующий лад, а головка - смычку, возбуждающему в ней колебания. В этом случае в энергетическом спектре шумов появляются максимумы, показанные на рис. 2 (кривая 1). Кривая 2 на этом рисунке получена после введения в механический тракт специального ролика, который демпфирует колебания так же, как в установках оптической записи звука для кинофильмов [9].

3.3 Физические процессы записи

Ток записи, проходя через катушку записывающей головки, создает в ее сердечнике изменяющийся по величине и направлению внутренний магнитный поток. Значительная часть этого потока, благодаря зазору и плотно прилегающей к нему ленте, выходит наружу и образует в рабочем слое ленты поле записи. В результате этого воздействия временные изменения мгновенных значений сигнала переходят в пространственные изменения намагниченности магнитной ленты, то есть самопроизвольно намагниченные области - домены (элементарные магнитные носители) записи получают определенную фиксированную намагниченность. При этом длина волны сигналограммы равна:

, (11)

где: V -- скорость движения ленты; f -- частота записываемого сигнала.

В процессе воспроизведения записи происходит обратное преобразование -- пространственные изменения намагниченности ленты переходят во временные изменения электрического напряжения.

Рабочий диапазон частот канала записи определяется в основном характеристиками магнитных лент, параметрами ГЗ и режимом подмагничивания. Для одного и того же типа лент могут отличаться:

- оптимальные токи подмагничивания - на ±2,5 дБ;

- чувствительность - на ±2...2,5 дБ;

- частотная характеристика - на ±3...5 дБ.

3.4 Потери при записи

Частотная характеристика процесса записи определяется по зависимости уровня намагниченности ленты от частоты тока записи при постоянной его величине. Если бы в процессе записи не возникали частотные и волновые потери, ее характеристика представляла бы прямую линию 1, параллельную оси частот (плакат ХХХ). Реальная характеристика (кривая 2) имеет спад из-за потерь. Можно считать, что частотные предыскажения усилителя записи (УЗ) предназначены для компенсации потерь магнитной ленты. В этом случае АЧХ УЗ (кривая 3) должна быть зеркальна реальной характеристике, т.е. должна быть такой, чтобы при изменении частоты и постоянном уровне сигнала на входе канала записи обеспечивался стандартный уровень намагничивания для типовой ленты (ОСТ6-17-528-87).

Основные потери записи следующие:

- фазово-волновые;

- от самостираний;

- от саморазмагничивания.

Рабочий слой ленты намагничивается совместным действием полей тока записи и тока высокочастотного подмагничивания. В зависимости от уровня ВЧП у выходной грани рабочего зазора головки возникает так называемая критическая зона (рис. 3), которая зависит как от тока подмагничивания, так и от самого тока записи и которая определяет волновые зависимости записи. Магнитная индукция в ленте после удаления ее от зазора уменьшается до значения остаточной индукции В_к.



Рис. 3 Критическая зона записи

В качестве ГЗ предпочтительнее использовать не универсальную головку, а записывающую, т.к. для записи необходим зазор, равный толщине рабочего слоя. При таком зазоре рабочий слой промагничивается на большую глубину и, кроме того, ослабляется размагничивающее действие полей рассеяния ВЧП на высших частотах рабочего диапазона. В результате остаточная намагниченность ленты в области частот 12...20 кГц с записывающей головкой получается на 2...3 дБ больше, чем с универсальной.

Фазово-волновые потери образуются вследствие того, что критическая зона имеет определенную протяженность. Чем короче длина волны сигнала, тем больше фазовый сдвиг магнитного потока в пределах критической зоны и тем значительнее уменьшение суммарной остаточной намагниченности данного участка рабочего слоя ленты. Этот завал волновой характеристики записи на высших звуковых частотах тем сильнее, чем больше токи сигнала и подмагничивания.

Потери от самостирания так же как фазово-волновые, связаны с временем прохождения критической зоны. Явление самостирания практически заметно при записи сигналов высших частот при относительно малых скоростях ленты. В этом случае для высокочастотных сигналов длина волны соизмерима с размерами поля ГЗ. Поле, создаваемое суммой токов записи и ВЧП, значительно превышает геометрический размер рабочего зазора ГЗ. Это приводит к тому, что уже сформированный в зазоре ГЗ участок фонограммы ослабляется. Волны с малыми длинами почти полностью попадают в критическую зону перемагничивания и ослабляются сильнее волн со средними и большими длинами. Таким образом, максимальная частота записываемого сигнала (минимальная длина волны) определяется не геометрическим размером рабочего зазора ГЗ, а шириной критической зоны перемагничивания, которая в значительной степени зависит как от величины тока подмагничивания, так и от уровня самого тока записи. При этом полоса записываемых частот для сигналов разных уровней оказывается различной, а максимальный уровень записи ВЧ-составляющих -- много ниже необходимого среднестатистического уровня, что приводит к недопустимо большим интермодуляционным искажениям ВЧ-сигналов с большим уровнем.

Таким образом это явление носит нелинейный характер и служит причиной дополнительных нелинейных искажений на высших частотах.

Одной из первых попыток серьезной борьбы с этим явлением было применение внешнего подмагничивания (способ Cross field). За счет меньшего размагничивания остаточная намагниченность на высших частотах значительно возрастает. Так, еще на старой «тип 6» было возможным записать: на скорости 2,38 см/с - 13 кГц; на скорости 9,53 см/с - 25 кГц при К₃ = 2%; на скорости 19,05 см/с - 50 кГц при К₃ = 1%.

При этом прочность записи высоких частот была значительно выше из-за большей степени намагниченности рабочего слоя ленты, более глубокого его промагничивания.

Применение этого способа возможно только в катушечных аппаратах, причем применение в стереофонических магнитофонах в чистом виде весьма затруднительно из-за сложности обеспечения стабильного по времени (из-за износа движущихся частей механизма подвода внешней головки и износа поверхности универсальной головки) тока подмагничивания, а также его регулировки. Поэтому промышленного применения этот способ не нашел, несмотря на высокую эффективность. В нашей стране в свое время была широко известна разработка [10], в которой применено комбинированное подмагничивание: основное - внешнее, с помощью обычной стирающей головки, и до оптимального - обычным способом.

Перегрузочная способность лент во многом зависит от соотношения тока подмагничивания и тока записи. В самом деле, чем больше отношение номинального тока подмагничивания к номинальному записи, тем меньше его изменение при перегрузке, а соответственно, меньше и увеличение критической зоны. Этим, в частности, можно объяснить повышенную перегрузочную способность МЭК-2 и тем более МЭК-4 на высших частотах, для которых ток записи больше примерно в 1,2 и 1,5 раза, а ток подмагничивания - в 1,5...2 раза и 3 раза, соответственно.

Это соотношение различно не только для разных типов лент, но и для разных головок. В соответствии с картой номинальных токов подмагничивания [11] головки условно, в порядке убывания соотношения I_П/I_З, разбиты на 5 групп (табл. 1).

Таблица 1

Группа	IП/IЗ	Головка
I	> 12	Sankyo 555-20, ALPS HD424 PVJ, CANNON 56701
II	12…10	National WY1403, Sankyo 223-20, 3Д24.942
III	10…8	CANON 3331, Sankyo 569-11, 3Д24.941, CANON H2331
IV	8…6	ALFA HY424 SVS, 3АВ24.010, CANON 2334, Sankyo 311-10, CANON 2349, 3Д24.080
V	<6	3Д24.221, ALPS HD 428801, 3Д24.051, 2Д24.112, 3Д24.232

Потери от саморазмагничивания непосредственно связаны с небольшими размерами полуволновых областей при записи коротких волн. Подобно тому, как остаточная намагниченность ферромагнитного бруска значительно больше при намагничивании в продольном направлении по сравнению с намагничиванием в поперечном направлении, так и остаточная намагниченность длинных полуволновых областей больше, чем коротких. Вследствие примыкания элементарных магнитиков друг к другу одноименными полюсами (рис. 4), внутри рабочего слоя ленты как бы создается размагничивающее намагничивание носителя записи. Поэтому чем

Рис. 4 Намагниченность ленты в продольном направлении

короче длина волны записи ?, тем меньше продольный размер элементарного магнитика l = 0,5·? и, следовательно, тем сильнее размагничивающее поле. У современных магнитных лент эти потери уступают остальным.

Следующий путь расширения перегрузочной способности носителей в области высших частот звукового диапазона заключается в динамической оптимизации тока подмагничивания. Различают несколько видов динамического подмагничивания:

- динамическое подмагничивание;

- адаптивное динамическое подмагничивание;

- параметрическое динамическое подмагничивание;

- встречное подмагничивание пилообразным напряжением (током).

Частотные потери головки записи - потери, связанные с бесполезным расходом энергии на вихревые токи и на гистерезис в сердечнике, экране и металлической арматуре головки записи. Для уменьшения потерь сердечники изготавливают из материала с большим удельным сопротивлением и узкой петлей гистерезиса. В качестве прокладок в рабочем и дополнительном зазорах применяют изоляционные материалы, например, стекло или слюду, увеличивают ширину дополнительного зазора. В основном зазоре иногда применяют бериллиевую бронзу, применение же токопроводящих материалов в дополнительном эре недопустимо из-за дополнительных потерь на вихревые токи. Для современных записывающих головок частотные потери превышают 1 дБ на верхнем пределе рабочего диапазона частот.

Примерный ход АЧХ усилителя записи приведен в таблице 2.

Таблица 2

Частота, кГц	0,4	1	2	4	6	8	10	12,5	14	16
Подъем АЧХ, дБ	0	0,2	0,7	2,3	5,3	7.7	10,5	14	16	17

3.5 Потери воспроизведения

АЧХ воспроизведения (плакат ХХХ) определяют по зависимости ЭДС воспроизводящей головки от частоты сигналов, записанных с постоянным уровнем (обычно - минус 20 дБ) на магнитной ленте.

Отдача Е - ЭДС, индуцируемая в обмотке головки при воспроизведении сигналограммы с определенной намагниченностью и частотой, определяется формулой:

, (12)

где:

f - частота воспроизводимого сигнала;

n - число витков обмотки;

? - длина волны записи;

Ф - магнитный поток фонограммы (магнитный поток ленты, входящий в головку);

?_Э - эффективная ширина рабочего зазора (обычно на 10…20% превышает геометрическую ширину из-за неидеальности ребер зазора, а так же из-за влияния глубины зазора на распределение поля головки, зависит так же и от наклона головки).

Множитель в виде дроби характеризует частотные искажения, вносимые рабочим зазором. Этот множитель показывает, что при уменьшении Длины волны записи ЭДС головки уменьшается, и при ?_Э = ? ЭДС головки воспроизведения будет равна нулю.

Чем выше ЭДС, тем лучше будет отношение сигнал/шум канала воспроизведения. Основные потери воспроизведения по значимости располагаются в следующем порядке:

- слойные;

- волновые (щелевые, контактные, из-за перекоса зазора);

- частотные (потери шунтирования, перемагничивания сердечника).

3.6 Контактные и слойные потери

Несмотря на физически плотный контакт, между носителем и магнитной головкой всегда существует зазор, возникающий из-за наклепа, микрошероховатостей, слоя пыли, продуктов износа и окислов. Скольжение магнитной головки по поверхности ленты может рассматриваться как сухая шлифовка, которая порождает явление, называемое нагаром магнитных головок. Являясь одной из причин долговременной службы головок, он одновременно резко снижает рабочие характеристики запоминающих аппаратов, так как ее толщина в 0,1 мкм уже отрицательно сказывается на разрешающей способности канала записи - воспроизведения. Полируя поверхность головки специальными лентами, имеющими зерна корунда или алмаза размерами 3 - 7 мкм, можно очистить поверхность головки.

При удалении магнитной головки от носителя записи на расстоянии a возникают потери K_A, которые называют контактными:

, (13)

Степень контакта магнитной головки с носителем записи определить очень трудно. Косвенно она оценивается по отражательной способности соприкасающихся поверхностей. Однако контактные потери зависят не только от геометрии поверхностей, но и от физических свойств материала головки, поэтому в расчетах считают, что общий эффект, приводящий к контактным потерям, обусловлен некоторым эквивалентным зазором а_ЭКВ.

Как показано автором [12], наибольшая степень контакта, определяемая шероховатостью, зависит от средних высот микронеровностей магнитной головки R_Г и носителя записи R_Н:

а_Ш = (R_Г + R_Н)/2.

Для головок R_Г = 0,08 ? 0,1 мкм, а для лент R_Н = 0,1 ? 0,3 мкм.

Слойные потери К_D образуются вследствие того, что толщина рабочего слоя ленты d конечна. Расчетная формула:

Эти потери зависят от относительной удаленности от сердечника ГВ элементарных слоев ленты. Графически этот вид потерь показан на плакате ХХХ.

Из графика видно, что потери возрастают, как с ростом толщины рабочего слоя ленты, так и с уменьшением длины волны сигнала. Отсюда ясно, что на малых скоростях движения ленты тонкие ленты предпочтительнее. На больших же скоростях применение чрезмерно тонких лент нецелесообразно, т.к. падает отдача ленты и вследствие этого ухудшается отношение сигнал/шум. Кроме того, тонкая основа лент способствует повышенному копирэффекту. Слойные потери в принципе неустранимы, т.к. рабочий слой всегда имеет конечную толщину.

3.7 Щелевые потери

Щелевые потери появляются из-за соизмеримости длины волны записи с шириной рабочего зазора воспроизводящей головки. Ослабление потока в головке происходит вследствие взаимной компенсации (нейтрализации) магнитных потоков элементарных магнитиков, т.к. у краев зазора располагаются одноименные магнитные полюса (см. рис. 2.13). Полная компенсация происходит при величине зазора, равной или кратной длине волны, т.е. при ? = n?, где п = 1, 2, 3...

Щелевые потери подчиняются выражению:

, (14)

где:

?_Э - эффективная ширина рабочего зазора.

Графически этот вид потерь показан на плакате ХХХ.

Для уменьшения щелевых потерь ширину рабочего зазора ГВ выбирают из условия:

3.8 Волновые потери

Волновые потери определяются зависимостью величины магнитного потока в сердечнике ГВ от длины волны записи. Изменение скорости ленты и частоты сигнала в одинаковое число раз не изменяет длину волны записи, а следовательно, и связанные с ней основные особенности процессов воспроизведения и записи. С этой точки зрения, например, безразлично, записывается ли сигнал частотой 1000 Гц при скорости 4,76 см/с или 2000 Гц при скорости 9,53 см/с (к вопросу об ускоренной перезаписи), т.е. волновые потери будут одинаковы.

4. Моделирование канала магнитной записи - воспроизведения с ВЧП на ЭВМ

4.1 Расчет математических моделей основных звеньев канала магнитной записи

Структурная схема модели канала МЗВ с ВЧП, предназначена для оценки динамических характеристик, характеристик нелинейности и выходного эффекта, приведена на плакате хХх.

Для того чтобы обеспечить не только исследование влияния параметров канала на его характеристики, но и инженерный расчет этих характеристик, в ней предусмотрен по возможности детальный учет основных физических процессов. Отличие элементов структурной схемы от структурной схемы модели канала без подмагничивания заключается, главным образом, в описании процессов записи и саморазмагничивания. Эти элементы в основном описываются формульно коэффициентами волновых и частотных потерь, а выходной сигнал i_З(t)=I_Зsin(_Зt) - гармонической функцией. Выходные сигналы - амплитудные значения потока в сердечнике головки Ф(_В) и ЭДС в её обмотке Е(_В) позволяют оценить характеристики канала с потокочувствительной и с индукционной воспроизводящей головкой. Параметрами элементов схемы служат основные конструктивные и технологические параметры головок, носителя и их взаимного положения при записи и воспроизведения. При частотно-волновых преобразованиях сигнала в канале учитываются скорости записи ₃ и воспроизведения ₃.

Частотные потери во входных К_П.В.З.() и магнитной К_П.М.З.() цепях головки записи описываются формулами 15, 16 и 17, а расположение поля записи h_X(x,y) - моделью Калквиста, Чаще всего с учетом продольной составляющей по формуле 5.

(15)

(16)

(17)

(18)

При необходимости учитывается и перпендикулярная составляющая по формуле 19, оказывающая влияние на остаточную намагниченность носителя:

(19)

Применение ВЧП приближает процесс намагничивания носителя к идеальному (безгистерезисному), линеаризируя характеристику передачи канала записи. Это существенно изменяет описания процесса записи и саморазмагничивания по сравнению с описаниями, применяемыми при записи без подмагничивания. Чтобы не усложнять описание процесса записи, размагничиванием в поле ВЧП при моделировании обычно пренебрегают, мотивируя это слабым влиянием размагничивающего поля на намагниченность при сравнительно низком уровне записи (М_r << M_rs) на носителях с _a <2.

Это подтверждается также результатами моделирования влияния размагничивающего поля на распределение продольной намагниченности носителя, показывавшего, что протяженность критической зоны записи мало меняется в ближних слоях носителя, оказывающих определяющее влияние на выходной эффект и АВХ канала. Некоторое изменение наклона зоны может сказаться лишь на фазовом спектре остаточной намагниченности носителя.

Процесс записи с ВЧП чаще всего описывается моделью Прейсаха. Свойства носителей отражаются на диаграмме Прейсаха плотностью распределения частиц (H_b, H_m) по полям перемагничивания H_b и смещения H_m.

Для тонкого элементарного слоя носителя, удаленного от поверхности головки на расстояние у, суммарная остаточная намагниченность определяется:

, (20)

где Q -- область остаточной намагниченности на диаграмме, отражающей состояние частиц, изменивших свою намагниченность под влиянием внешнего поля; H_b(l,y)=H_BЧ0(l/v₃)h(x,y), H_l(l,y)=H₃₀(l/v₃) h(x,y), I=x-v₃t, H_BЧ0(t) и H_З0(t) - поля ВЧП записываемого сигнала в рабочем зазоре (x=0); h(х,у)=Н(х,у)/Н₀ -- относительное распределение статического поля головки записи.

При этом действующее на носитель суммарное поле

H(x,y,t)=H₃(x,y,t)+H_BЧ(x,y,t)=h(x,y)[H₃₀(t)+H_BЧ0cos_BЧt]

где _BЧ - частота ВЧП.

При относительно низкой плотности записи ?_З?_З<<_BЧ и достаточно большой _BЧ область остаточной намагниченности в процессе записи с ВЧП принимает форму треугольника, высота которого определяется уровнем поля сигнала H₃, а ее проекция на ось H_b -- уровнем поля ВЧП (H_ВЧ), как это показано на рис. 5 .

Рис. 5. Область остаточной намагниченности

Высота делит этот треугольник на два прямоугольных -- большой с площадью Q_б и малый с площадью Q_М. Это позволяет представить формулу 21 в виде суммы интегралов:

(21)

Составляющая остаточной намагниченности М_rМ влияет в основном на характеристики нелинейности процесса записи. Ее следует учитывать в нелинейной модели процесса при необходимости определения характеристик намагничивания и нелинейных искажений. В ряде случаев при этом используют видоизменённую диаграмму Прейсаха в координатах полей перехода Н₊=Н_b+Н_M и возврата Н-=Н_M -Н_b , обеспечивающую однозначную связь между координатами диаграммы и поля.