Системы записи сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Системы записи сигналов

Введение

Звукозапись, процесс записи звуковой информации с целью её сохранения и последующего воспроизведения; Звукозаписью называют также записанную звуковую информацию. Звукозапись основана на изменении физического состояния или формы различных участков носителя записи - магнитной ленты, граммофонной пластинки, киноплёнки и др.

1. Системы записи сигналов

При записи на движущийся носитель происходит преобразование изменений сигналов во времени в изменения состояния носителя записи по одной из его координат. Результатом процесса записи является сигналограмма, называемая при звукозаписи фонограммой. Физические процессы, проводящие к образованию сигналограмм, могут быть различными. В зависимости от их характера различают 4 системы записи: магнитную, механическую, фотографическую и электростатическую. Для звукозаписи применяют три первых из них.

Все устройства записи - воспроизведения, независимо от использование системы, содержат записывающие и воспроизводящие элементы, носитель движущий механизм и электронные блоки. В процессе записи записывающий элемент изменяет физические характеристики носителя, транспортируемого движущим механизмом около записывающего элемента. След, оставляемый в носителе, называется дорожка записи.

Важными характеристиками являются продольная, поперечная, поверхностная и объемная плотности записи. Продольная плотность Р_прод измеряется числом периодов гармонического сигнала или бит информации, приходящихся на единицу длины носителя в направлении записи. Поперечная плотность Р_попер - это число дорожек, приходящихся на единицу длины носителя в направлении, перпендикулярным к направлению записи. Поверхностная плотность Р_пов, равная произведению Р_прод и Р_попер, определяет количества информации, записанной на единице поверхности носителя. Объемная плотность определяется количеством информации записанной в единице объема носителя.

От плотности записи зависит эффективность использование носителя и все массогабаритные параметры аппаратуры. Чем выше плотность записи, тем более высокими при прочих равных условиях могут быть основные технические и эксплуатационные характеристики записывающих устройств.

Рассмотрим принципы, на которых основано действие различных систем записи.

2. Механическая запись

Это система получила широкое распространение для записи звука на грампластинки. Звуковой сигнал записывают на металлический диск, покрытый лаковым слоем, с помощью резца, колеблющегося в такт с сигналом. Резец вырезает в лаковом слое спиральную канавку, извилины боковых стенок, который отображает записываемый сигнал. Лаковый диск используют как оригинал для изготовление матрицы - металлического диска с обратным рельефом (канавки соответствует выступ). Затем матрица используется для штамповки грампластинок из специальной пластмассы.

Элементом, воспроизводящим звук с грампластинки, является звукоснимателями, которые могут быть электромагнитными и пьезоэлектрическими. Игла звукоснимателя перемещается по канавке и колеблется в соответствии с изменением ее геометрии. Механические колебание преобразуется в электрические, форма которых при отсутствии искажении совпадают с формой записанного звукового сигнала. Механическая запись на грампластинке обеспечивает звуковоспроизведение в полосе частот 40 Гц…15 кГц отношении сигнал-шум до 60 дБ и коэффициенте искажении не более 1…2%. Грампластинки имеют диаметр 301-230 либо 174 мм и вращаются со скоростью 33 1/3 либо 45 об/ мин. Время записи на одну пластинку до 20…25 мин.

Более высокое качество записи обеспечивают цифровые лазерные проигрыватели. В этом случае отношение сигнал - шум превышает 90 дБ, запись осуществляется на компакт-диск диаметром 120 мм в течение 60 мин. Записываемый сигнал имеет цифровую форму. Символы 1 отображаются на дорожках диска в виде выступов. Воспроизводящим элементом служит полупроводниковый лазер, луч которого направляется на дорожку записи на поверхности диска, отражается от нее и за тем попадает в фотодетектор. Оптическая система отрегулирована так, что луч при попадании на пит расфокусируется. Напряжение на нагрузке фотодетектора при этом уменьшается, что и служит сигналом о появлении символа 1.

Достоинствами механической записи является простата тиражировании относительно невысокая стоимость дисков и высокая плотность записи. Основной ее недостаток, ограничивающий области применение, - сложность технологического процесса получения матриц, а этого невозможность оперативной записи сигналов и их немедленного воспроизведения. Поэтому механическая звукозапись наиболее распространена в бытовых устройствах.

3. Фотографическая запись

Носителем фотографической записи является фотопленка. В процессе записи входной сигнал модулирует по ширине цветовой луч, являющийся записывающим элементом. Луч экспонирует фотопленку, которая затем подвергается фотохимической обработке: проявлению, промывке, и сушке. В результате образуется оптическая сигналограмма, при чем ширина дорожки записи чаще всего изменяется соответствии записываемых колебаний. При воспроизведение сигналограмма просвечивается узким световым лучом, воздействующим на фотоэлемент. Поскольку световой поток, прошедший через сигналограмму, зависит от ширины дорожки, фототок фотоэлемента оказывается пропорциональным записанному сигналу.

При фотографической записи продольная и поперечная плотности записи определяется размерами поперечного сечения луча и разрешающей способностью фотослоя. Значение Р_прод и Р_попер равны между собой и достигают нескольких сотен на миллиметр. К достоинствам фотографической записи относится также ее видимость, что облегчает монтаж сигналограмм, а также возможность их тиражирования с помощью контактной печати. Недостатком системы является необходимость фотохимической обработки носителя, что препятствует оперативному использованию фотографической записи. Фотографическую звукозапись чаще всего применяют в кино, где фотохимическая обработка кинопленки все равно необходима при проявке кинофильмов.

4. Магнитная запись

Наиболее распространенным носителем магнитной записи является лента, транспортируемая около магнитной головки, представляющей собой электромагнитный преобразователь электрического тока в магнитное поле. Колебания тока, отображающее входной сигнал, преобразуется в соответствующие изменение напряженности магнитного поля головки, намагничивающего ленту, что приводит к изменению намагниченности по ее длине. При воспроизведение лента перемещается около головки преобразующей остаточный магнитный поток носителя в электрический сигнал.

Основным достоинством магнитной записи является ее технологичность; после записи нет необходимости в какой-либо обработке носителя воспроизведение возможно сразу же после записи. Носитель магнитной записи допускает многократное использование, а магнитофоны представляют собой весьма простые устройства. Поэтому в практике профессиональной и бытовой записи звука в настоящее время наиболее распространена магнитная запись

5. Запись сигналов на магнитооптический носитель

Cпособ записи, в котором на магнитооптических (МО) эффектах основан процесс воспроизведения, а собственно запись основана на термомагнитных явлениях. Магнитооптический носитель информации, обычно в форме диска, содержит рабочий МО-слой, который представляет собой аморфную магнитную пленку, способную терять намагниченность и коэрцитивную силу при нагреве до не очень высокой температуры и обеспечивать в процессе воспроизведения достаточно большой МО-эффект. Намагниченность и коэрцитивная сила МО-рабочих слоев теряются при температуре 100-200°С в зависимости от состава слоя.

Запись производится с перпендикулярным намагничиванием МО-слоя (см. также перпендикулярная магнитная запись). В наиболее простом случае в процессе записи предварительно намагниченный МО-слой локально размагничивается, нагреваясь от остросфокусированного луча лазера. Обычно же запись происходит путем изменения направления предварительной намагниченности МО-слоя на противоположное. Для этого при локальном нагреве и остывании участка, когда его коэрцитивная сила еще мала, но него воздействуют магнитным полем обратного направления по отношению к полю предварительного намагничивания. Изменение магнитных характеристик с температурой показано на рисунке к статье термомагнитное копирование. Наконец, возможна запись на предварительно ненамагниченный МО-слой или на МО-слой со старой записью при одновременном ее стирании. В этом случае элемент МО-слоя нагревается до температуры вблизи точки потери магнитных свойств. Коэрцитивная сила МО-слоя становится малой и сравнительно небольшое поле магнитной головки сообщает нагретому участку одно из двух направлений намагниченности, которую нельзя изменить после выхода нагретого участка из фокального пятна лазера, т.к. при снижении температуры коэрцитивная сила МО-слоя возрастает.

Во всех случаях в результате записи на носителе образуется последовательность намагниченных и размагниченных участков или участков с взаимно противоположной намагниченностью, которая и представляет собой запись на МО-носителе. Записываемый сигнал может управлять лучом лазера или полем магнитной головки.

Запись цифровых данных на магнитный носитель требует преобразования аналоговой или цифровой информации в специальный цифровой код, удобный для передачи по каналу магнитной записи. Этот канал имеет свои особенности, и не всякий код оптимален для передачи по нему цифровых данных. Например, при постоянстве намагниченности носителя как в положительном, так и в отрицательном направлении сигнал на выходе магнитной головки воспроизведения отсутствует и возникает только при переходе намагниченности от одного направления к другому.

Известно много различных способов кодирования и ЗЦДМН. Остановимся на трех: запись без возвращения к нулю (БВН1), запись с фазовой модуляцией (ФМ) и запись с групповым кодированием (ГК). В порядке перечисления в этих способах возрастает плотность записи и эффективность обнаружения ошибок, а также уменьшается межблочное расстояние на ленте. Характеристики способов для записи по 8 дорожкам на ленту шириной 12,65 мм.

Запись по способу без возвращения к нулю (БВН1) показана на рисунке. Записываемая единица в данном случае представляет собой перепад тока записи в режиме от положительного до отрицательного насыщения (или наоборот), которому соответствует изменение направления намагниченности и магнитного потока ленты (переход потока). Нуль представляет собой отсутствие изменения тока в соответствующие моменты времени. Для идентификации нулей в этом способе требуется синхросигнал. Если он вырабатывается из импульсов, воспроизводимых с разных дорожек, то плотность записи ограничивается динамическим перекосом ленты.

В способе записи с фазовой модуляцией (см. рисунок) записываемая единица представляет собой перепад тока записи в одном направлении, например, в режиме от отрицательного до положительного насыщения, а нуль - перепад тока в обратном направлении. Поскольку разнонаправленным перепадам тока записи при воспроизведении соответствуют импульсы ЭДС головки различной полярности, то внешнего источника синхроимпульсов для идентификации нулей не требуется; каждая дорожка оказывается самосинхронизированной. Следовательно, устойчивая работа аппаратуры записи обеспечивается при относительно малом расстоянии между переходами потока. Поэтому рассматриваемый способ ФМ позволяет получить более высокую плотность записи, которая составляет 63 бит/мм.

Изменение тока записи и намагниченности носителя при записи цифровых данных па способам БВН1 и ФМ

Недостаток способа ФМ в том, что одному биту соответствует не один, как в способе БВН1, а два перехода потока. Это понятно, поскольку для записи 1 после 1 или 0 после 0 необходимо изменить направление намагниченности ленты, что достигается записью дополнительного перепада тока с удвоенной плотностью (см. рисунок). Поэтому, например, для записи с плотностью 63 бит/мм надо, чтобы лента допускала физическую плотность записи в 126 переходов потока на 1 мм (пп/мм).

Способ записи с групповым кодированием обладает достоинствами двух предыдущих способов: запись одного бита соответствует одному переходу потока и вместе с тем каждая дорожка самосинхронизирована. Как и в способе БВН1, единицы представляют собой перепады тока записи, а нули - отсутствие перепадов в данный момент времени. Синхросигнал, необходимый для идентификации нулей при такой записи, вырабатывается из сигнала каждой дорожки. Для этого сигнал кодируется так, что не может быть записано подряд более двух нулей. Обычно используемые 4-разрядпые группы двоичных знаков преобразуются в 5-разрядные группы (например, группы 0000 и 0001 преобразуются в группы 11001 и 11011). При зтом любая 5-разрядная группа создает не менее двух переходов потока на ленте, что и позволяет вырабатывать собственный синхросигнал для каждой дорожки.

Таким образом, для накопления 4 единиц информации способом ГК требуется 5 переходов потока. Поэтому при достигнутой физической плотности записи 356 пп/мм по способу ГК на ленте накапливается информация с плотностью 356x4/5 = 286 бит/мм.

Возможность исправления ошибок записи, предусмотренная в способе ГК, приводит к некоторому снижению фактически реализуемой плотности накопления информации, и она составляет 246 бит/мм.

Затяжка дефект, возникающий в результате неравномерной намотки магнитной ленты Б рулоне, например, при продольном скольжении одного витка относительно другого (см. рисунок).

Защитный слой покрытие на поверхности носителя записи, защищающее рабочий слой от механических повреждений, износа и окисления. Применяется в лазерных дисках, а также некоторых разновидностях магнитных носителей, например, в металлонапыленых магнитных лентах. ЗС получают из раствора путем полива или в вакууме методами ионно-плазменной технологии. Толщина ЗС составляет 50-1000 нм (см. также классификация магнитных носителей).

Звуковое давление дополнительное давление, возникающее в среде (в воздухе) при прохождении через нее звуковых волн. Последние создают разрежения и сгущения среды, вызывающие уменьшение и увеличение давления по сравнению с его средним значением в среде. По своей природе ЗД - переменная величина, изменяющаяся в соответствии со звуковыми волнами. ЗД - основная количественная характеристика звука; измеряется в Паскалях, Па (Н/м²). Порогу слышимости соответствует ЗД 10 мкПа; болевому порогу - 100 Па. Оба значения среднестатистически приблизительны и справедливы при распространении в воздухе звуковых волн (чистого тона) с частотой 1000 Гц.

Магнитная запись

Система записи и воспроизведения информации, в которой запись осуществляется изменением остаточного магнитного состояния носителя или его отдельных частей в соответствии с сигналами записываемой информации; при воспроизведении происходит обратное преобразование и вырабатываются сигналы информации, соответствующие указанным изменениям. М. з. очень распространена. Она применяется для записи звука (Магнитофоны, Диктофоны), изображения и его звукового сопровождения (Видеомагнитофоны), сигналов измерения, управления и вычисления (Точная запись) и так далее.

При магнитной записи электрические сигналы, поступающие на вход канала записи (например, усилителя магнитофона), подвергаются усилению и различным преобразованиям для получения необходимого качества записи. Последним звеном канала является записывающая Магнитная головка. Магнитное поле головки, рассеиваемое над рабочим зазором, пропорционально силе тока в её обмотке. Оно действует на движущийся носитель и, намагничивая его отдельные участки в соответствии с записываемыми сигналами, образует дорожку магнитной записи. Носителем может быть хорошо намагничиваемое и длительно сохраняющее магнитное состояние ферромагнитное тело различной формы: нить (магнитная проволока), лента (Магнитная лента), диск, барабан, лист. Сигналограмма, то есть носитель с нанесённой дорожкой записи, соприкасаясь во время движения с рабочим зазором сердечника воспроизводящей магнитной головки, аналогичной по конструкции записывающей, возбуждает в нём магнитный поток, пропорциональный намагниченности отдельных участков дорожки. Изменения потока вызывают появление (в обмотке головки) эдс, содержащей записанную информацию. В канал воспроизведения, кроме головки, входят устройства для усиления сигналов и их преобразований, обратных преобразованиям в канале записи. Стирание (уничтожение) записи осуществляется размагничиванием или однородным намагничиванием носителя до насыщения. Его производят или в специальных устройствах, где вся запись на носителе может быть стёрта одновременно, или во время записи - стирающей головкой, установленной до записывающей (по движению носителя). При этом через обмотку стирающей головки пропускают определённой силы постоянный или переменный ток. Качество М.з. тем выше, чем больше скорость записи. Для записи электрических колебаний со звуковыми частотами от 30 гц до 16 кгц достаточна скорость движения ленты 9,5 см/сек. В видеомагнитофоне для записи сигналов в диапазоне частот до 10-15 Мгц скорость перемещения вращающейся головки относительно ленты повышается почти до 50 м/сек. Для увеличения плотности М. з. на носителе располагается несколько параллельных дорожек записи.

Существует несколько способов М. з., различающихся: направлением намагничивания носителя, видами преобразования сигналов в каналах записи и воспроизведения и иногда подачей в обмотку записывающей головки, кроме тока сигнала, дополнит. постоянного или переменного тока подмагничивания (для достижения почти полной пропорциональности между намагниченностью носителя и силой тока сигнала). Так, например, в магнитофонах подмагничивание носителя при записи осуществляется током с частотой 40 - 200 кгц (высокочастотное подмагничивание). В этом случае процесс записи становится процессом без гистерезисного намагничивания носителя полем записываемых сигналов и устраняются искажения, связанные с кривизной обычной (гистерезисной) характеристики ферромагнетика. Преимущество М. з. заключается в простоте аппаратуры, моментальной готовности записи, практической неизнашиваемости сигналограммы и возможности многоразового использования носителя. К недостаткам М. з. относятся её невидимость, что в некоторых случаях (например, в звуковом кино) затрудняет монтаж сигналограммы, искажения информации из-за относительно больших шумов, возникающих от магнитной и механической неоднородности носителя, и Копирэффекта. Копии магнитных сигналограмм изготавливаются либо перезаписью (иногда на повышенной скорости), либо контактным копированием в тепловом пли магнитном поле. Основным направлением развития М. з. является совершенствование носителя с целью повышения плотности записи и увеличения её достоверности.

Литература

запись сигнал магнитооптический носитель

1. Радиовещание и Электроакустика. А.В. Выходец, М.В. Гитлиц, Ю.А. Ковалгин, А.В. Никонов, В.В. Однолько.

2. Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. 1969-1978

3. Физические основы магнитной звукозаписи, М., 1970; Техника магнитной видеозаписи, М., 1970. В.Г. Корольков.

Размещено на Allbest.ru