13.12. Особенности построения цифровых магнитофонов

Достоинства метода цифровой записи и воспроизведения ЗС опре­деляются общеизвестными преимуществами цифровых методов переда­чи, приема и обработки сигналов. По диапазону записываемых и вос­производимых частот, неравномерности АЧХ, коэффициенту гармоник устройства цифровой магнитной записи существенно превосходят ана­логовые магнитофоны. Качество воспроизведения цифровой фонограм­мы записи остается практически неизменными при многократной пере­записи. При цифровой записи практически устраняется детонация и исключается влияние шумов ленты.

Первоначально запись звука в цифровой форме осуществлялась на видеомагнитофонах с помощью ИКМ-процессоров. В дальнейшем по­явились специализированные устройства цифровой звукозаписи – ци­фровые магнитофоны. В зависимости от способа записи и воспроизве­дения сигнала различают цифровые. Магнитофоны с продольной многодорожечной записью и наклонно-строчной записью.

В магнитофонах с наклонно-строчной записью ЗС в цифровой форме записывается вращающимися магнитными головками подобно тому, как это делается в видеомагнитофонах Магнитная лента, дви­жущаяся с небольшой (около 1 см/с) скоростью, охватывает барабан, на котором находятся две или большее число магнитных головок.

Лента и барабан таким образом ориентированы относительно друг друга, что в результате движения ленты и вращения барабана на лен­те формируется строка записи с определенным наклоном по отношению к краю магнитной ленты. Запись и воспроизведение сигналов осуще­ствляются по одному каналу записи-воспроизведения. Однако при этом используются обычно две магнитных головки, которые последовательно подключаются к усилителю записи (в режиме записи) и ко входу усили­теля воспроизведения (в режиме воспроизведения). Благодаря большой скорости движения головок относительно ленты (примерно 3 м/с) удает­ся производить запись цифрового сигнала с приемлемой минимальной длиной волны, не увеличивая расход носителя.

В магнитофонах с продольной многодорожечной записью осуще­ствляется многоканальная запись. Сигнал записи распределяется по не­скольким каналам записи. В результате скорость цифрового потока в каждом канале становится в несколько раз меньше, чем скорость следо­вания символов в исходном цифровом потоке. Запись и воспроизведение выполняются одновременно по нескольким дорожкам с помощью непо­движного блока магнитных головок, подобно тому, как это делается в обычных аналоговых магнитофонах. При воспроизведении происходит обратная операция – из нескольких цифровых потоков формируется исходный цифровой поток.

Магнитофоны с продольной многодорожечной и наклонно-строч­ной записью различаются, прежде всего, числом каналов магнитной записи-воспроизведения сигналов и значениями скоростей цифрового потока в каналах. В тоже время методы обработки сигналов записи и воспроизведения оказываются весьма схожими.

Современные цифровые магнитофоны позволяют записывать и ци­фровые, и аналоговые сигналы. Различные магнитофоны имеют разное число входов и выходов от двух в бытовых до нескольких десятков в профессиональных цифровых магнитофонах.

Рис. 13.39 Функциональная схема цифрового магнитофона с наклонно-строчной записью

На рис 13.39 показана функциональная схема магнитофона с на­клонно-строчной записью. Аналоговый сигнал через ФНЧ поступает на ИКМ-кодер (АЦП) где он преобразуется в ИКМ-сигнал. Цифровые сигналы подаются на цифровые входы магнитофона.

Основным режимом при цифровой звукозаписи принято считать преобразование и запись сигналов с частотой дискретизации f_Д = 48 кГц и 16-ю разрядами на отсчет.

Кроме записи сигнала с частотой дискретизации f_Д = 48 кГц и 16-ю разрядами на отсчет можно записывать цифровые сигналы с другими параметрами f_Д = 44 1 кГц при 16-разрядном линейном кодировании (стандарт системы компакт-диск), а также f_Д – 32 кГц с 16-разрядным линейным и 12-разрядным нелинейным кодированием (стандарт пред­ставления сигналов в цифровых спутниковых каналах подачи программ вещания). В бытовых цифровых магнитофонах запись цифровых сиг­налов с f_Д = 44,1 кГц не предусмотрена. Это сделано для предот­вращения несанкционированного распространения высококачественных звукозаписей.

В цифровых магнитофонах искажения ЗС практически полностью определяются качеством и характеристиками аналого-цифрового пре­образования. К ИКМ-кодекам предъявляются весьма жесткие требо­вания. Для профессиональной аппаратуры затухание фильтров АЦП и ЦАП на частотах более 22 кГц должно составлять 100..110 дБ неравно­мерность АЧХ в полосе частот до 16 кГц не должна превышать 0,25 дБ, а на частоте 20 кГц быть не более 0,5 дБ Неравномерность группового времени запаздывания в полосе до 18 кГц не должна превышать 3 мкс.

При стереозаписи и обычных алгоритмах 16-разрядного кодирова­ния с частотой дискретизации f_Д = 48 кГц скорость цифрового потока с учетом служебной информации и символов для обнаружения и ис­правления ошибок превышает 2,5 Мбит/с. При таких скоростях широ­кое практическое применение цифровых методов звукозаписи возможно только при значительно более эффективном, в сравнении с аналоговы­ми методами записи, использовании поверхности носителя. Критери­ем эффективности использования носителя является плотность записи, оцениваемая обычно либо по значению минимальной длины волны за­писи при заданной скорости движения носителя относительно головки записи, либо по числу бит на единицу длины (линейная плотность) или единицу площади поверхности носителя (поверхностная плотность). За­дача повышения поверхностной плотности и обеспечения записи высоко­скоростных цифровых потоков при цифровой звукозаписи была решена как путем увеличения плотности записи по дорожке, так и в результате увеличения числа дорожек записи.

В цифровых магнитофонах с наклонно-строчной записью (см. рис. 13.39) сигналы с выхода ИКМ-кодеров и входные цифровые сигналы по­ступают на мультиплексор МП, где несколько цифровых потоков объ­единяются в один общий поток. Сформированный поток поступает в кодер помехоустойчивого кода КПК, обычно выполняющий операции кодирования с разбиением цифрового потока на блоки определенной длины и добавлением к ним символов для обнаружения и исправления ошибок. Далее последовательность символов заносится в оперативное запоминающего устройство ОЗУ, с помощью которого осуществляются изменение временного масштаба и перемежение отсчетов ЗС.

Необходимость изменения временного масштаба обусловлена рядом причин. В их числе – сжатие временного масштаба для исключения потери символов цифрового сигнала, когда осуществляется переключе­ние головок записи при переходе от одной строки записи к другой, а также в связи с введением в цифровой поток служебной информации, предназначенной для реализации цикловой синхронизации, разделения цифровых потоков, обеспечения работы канала записи-воспроизведения и других блоков и узлов схемы.

Перемежение выполняется для того, чтобы уменьшить влияние на качество записи-воспроизведения пакетов ошибок, которые возникают из-за дефектов рабочего слоя магнитного носителя, увеличения некон­такта (выпадений сигнала) или по другим причинам. В результате перемежения соседние отсчеты оказываются записанными на разных участ­ках ленты. При считывании информации из ОЗУ в поток данных вводят­ся служебная информация о параметрах кодирования (частоте дискре­тизации, числе разрядов), служебные сигналы, необходимые для раз­деления потока при воспроизведении и работы систем синхронизации, управления и пр. Далее сформированный поток через канал магнитной записи КЗ подводится к блоку вращающихся головок БВГ.

При воспроизведении цифровой поток, сформированный на выходе канала воспроизведения (КВ), поступает на ОЗУ, с помощью которого восстанавливаются временной масштаб и исходный порядок следования отсчетов ЗС (т.е. осуществляется операция деперемежения). Примене­ние ОЗУ при воспроизведении цифрового сигнала позволяет устранить влияния на качество его записи (воспроизведения) колебаний скорости движения носителя. Это достигается благодаря тому, что считывание информации из ОЗУ осуществляется с постоянной скоростью даже при отклонениях скорости следования символов цифрового потока на вхо­де ОЗУ от номинального значения, вызванных колебаниями скорости движения носителя, межсимвольной интерференцией в канале записи-воспроизведения и другими дестабилизирующими факторами.

При воспроизведении из потока символов выделяется служебная ин­формация, которая направляется в систему управления СУ для установ­ки необходимых режимов работы ЦАП-декодера, обеспечения синхрони­зации работы узлов магнитофона, например системы автоматического регулирования (САР) двигателей и скорости вращения блока вращаю­щихся головок, а также информация, которая требуется для реализации сервисных функций магнитофона (поиск и воспроизведение в запрограм­мированном порядке фрагментов записи, обзор записей, индикация вре­мени и т.п.). Декодер помехоустойчивого кода ДПК служит для обна­ружения и исправления ошибок, которые могут возникать в процессе записи-воспроизведения сигнала. Цифровой поток, получаемый на вы­ходе декодера, подается на демультиплексор (ДМП), который разделяет общий цифровой поток на несколько цифровых потоков, соответственно числу записываемых сигналов на входах магнитофона и числу его вы­ходов. Для восстановления аналогового сигнала поток с выхода ДМП подается на ЦАП соответствующего канала. После прохождения ФНЧ восстановленный сигнал поступает на аналоговый выход магнитофона.

Благодаря помехоустойчивому кодированию удается существенно уменьшить поток ошибок, которые могут возникать в канале записи-воспроизведения. Однако возможны ситуации, когда корректирующей способности помехоустойчивого кода при применяемом алгоритме его декодирования недостаточно. Часть ошибок оказывается обнаруженной, но они не могут быть исправлены. Для уменьшения влияния ошибок на качество воспроизведения в состав магнитофона вводят интерполятор (И), который используется для маскирования ошибок. Простейшим алгоритмом маскирования является линейная интерполяция по двум со­седним отсчетом ЗС, например вычисление среднего значения. Если неисправляемые ошибки обнаруживаются в нескольких последователь­но следующих отсчетах ЗС, интерполяция обычно не осуществляется. В этом случае обеспечивается плавное (в течение 500...600 мкс) умень­шение уровня выходного сигнала до нулевого значения. Тем самым устраняются щелчки при воспроизведении фонограммы. С появлением последовательности неискаженных отсчетов амплитуда сигнала также плавно увеличивается. Кратковременные пропадания сигнала, если они появляются не очень часто, не замечаются при прослушивании фоно­грамм из-за инерционности слухового аппарата.

Ещё одним решением этой проблемы для стереозаписей является замещение группы отсчетов сигнала в одном канале отсчетами друго­го канала.

В процессе работы магнитофона необходимо осуществлять множе­ство вычислительных операций (например, при декодировании помехо­устойчивого кода), поддерживать требуемые режимы работы узлов и блоков магнитофона, реализовывать по определенным программам об­мен данными между узлами и блоками. Для этого, а также для выпол­нения функций управления магнитофоном в состав последнего вводят специальный модуль, основу которого составляет микро-ЭВМ. Ресурсы микро-ЭВМ также используются для обработки записываемых и вос­производимых сигналов, с ее помощью обеспечивается синхронизация работы всех элементов схемы и устройства в целом. В студийных магни­тофонах вычислительный модуль применяется также для электронного редактирования и монтажа фонограмм. Благодаря служебной и сер­висной информации, поступающей на комплекс, автоматически устана­вливаются необходимые режимы работы узлов и элементов схемы, про­граммируются режимы работы магнитофона, отрабатываются команды, формируемые органами управления (Орг. упр.).

Рис. 13.40 Функциональная схема цифрового магнитофона с наклонно-строчной записью

Цифровые магнитофоны с поперечно-строчной записью и продоль­ной многодорожечной записью характеризуются рядом общих функциональных элементов. Особенность цифровых магнитофонов с про­дольной многодорожечной записью (рис. 13.40) состоит в том, что при записи общий цифровой поток подается не на один канал записи-воспроизведения, а делится ДМП на несколько потоков, после чего ка­ждый из них поступает на соответствующий канал записи-воспроизве­дения. В цифровых магнитофонах с поперечно-строчной записью при­меняются неподвижные блок головок записи БГЗ и блок головок вос­произведения (БГВ). При воспроизведении с помощью МП выполняет­ся операция объединения цифровых потоков, которые формируются на выходах каналов воспроизведения.

Кроме уже описанных функций, ОЗУ в канале воспроизведения ис­пользуется для временного выравнивания сигналов, воспроизводимых с разных дорожек. Остальные операции подобны тем, которые осуще­ствляются в магнитофонах с поперечно-строчной записью. Цифровые магнитофоны с поперечно-строчной и продольной многодорожечной за­писью различаются форматами записи информации. В них используют различные алгоритмы перемежения и помехоустойчивого кодирования.