.

ЦИФРОВЫЕ МАГНИТОФОНЫ С ПРОДОЛЬНОЙ МНОГОДОРОЖЕЧНОЙ ЗАПИСЬЮ

  К  достоинствам многодорожечных магнитофонов с продольной записью, следует отнести достаточно простой лентопротяжный меха­низм с минимальным количеством движущихся узлов и небольшую скорость записи, которая способствует увеличению срока службы магнитных головок и ленты. К недостаткам этого вида цифровых магнитофонов относятся слож­ность блоков магнитных головок и увеличенный объем электронных уст­ройств. Многодорожечный блок магнитных головок сложнее и дороже одиночной головки. Многоканальность предполагает наличие в магнитофоне не­скольких (по числу дорожек) усилителей записи, воспроизведения и, возмож­но, канальных кодеков. Увеличение количества электронных блоков влечет за собой увеличение потребляемой мощности, стоимости, габаритных размеров и массы всего устройства.

Упомянутые недостатки не следует считать слишком серьезным препят­ствием для создания таких магнитофонов. Современная интегральная техно­логия изготовления магнитных головок и электронных узлов позволяет выпол­нить эти устройства в одном корпусе в виде больших интегральных схем (БИС).

Состав и принцип работы цифрового магнитофона. Цифровой магнитофон с продольной многодорожечной записью содержит лентопротяжный механизм с системами автоматического регулирования, канал многодорожечной ИКМ за­вися — воспроизведения и устройство управления режимами работы магнито­фона. На рис. 10 показана укрупненная структурная схема канала ИКМ за­писи — воспроизведения многоканального цифрового магнитофона. В частном случае он может быть двухканальным, например стереофоническим.

На вход магнитофона поступают либо аналоговые, либо цифровые сигна­лы от т источников. Аналоговые сигналы преобразуются ИКМ кодерами 1 в цифровые сигналы и в цифровой форме раздельно подаются на блочный ко­дер 3, в котором осуществляется формирование кода защиты от ошибок в виде отдельных блоков кодовых слов. Сформированные кодовые блоки посту­пают в кодер канала 4, который осуществляет канальное кодирование кодо­вой последовательности с целью согласования ее со свойствами канала запи­си — воспроизведения. С выхода кодера канала сигнал через усилители запи­си 5 поступает в блок записывающих магнитных головок 6 и записывается на ленте 7 на k-дорожках. При воспроизведении цифровой сигнал, поступающий с блока воспроизводящих головок 11, усиливается усилителями воспроизведе­ния 12 и подвергается обратным преобразованиям. Вначале происходит ка­нальное декодирование сигнала в декодере канала 13 и восстанавливается его временной масштаб в компенсаторе временных искажений, затем осуществля­ются блочное декодирование и исправление ошибок в блочном декодере 15 и, наконец, ИКМ декодирование — преобразование цифрового сигнала в анало­говый. Устройства сопряжения 2 и 17 служат для сопряжения цифровых сиг­налов, поступающих от внешних цифровых источников с цифровыми сигна­лами магнитофона.

Разделение кодирования на блочное помехозащитное и канальное коди­рование условно, хотя часто кодеры разделяют физически, выполняя их в ви­де отдельных узлов.

На магнитную ленту помимо цифровых сигналов звуковой программы на отдельных дорожках часто записывают сигналы управления, режиссерские и иногда аналоговые сигналы, дублирующие звуковую программу.

Расположение блоков головок в двухканальных (стереофонических) циф­ровых магнитофонах традиционное, как и в аналоговых В студий­ных многоканальных магнитофонах могут быть добавлены дополнительные го­ловки записи и стирания) для перезаписи программы или отдель­ных фрагментов из одного канала в другой. Студийные магнитофоны снабже­ны специальным узлом электронного монтажа.

Рассмотрим более подробно отдельные функциональные узлы цифрового магнитофона.

Кодер для импульсно-кодовой модуляции предназначен для преобразова­ния аналогового сигнала в цифровой путем дискретизации, квантования и ко­дирования. Последние две операции могут быть совмещены и выполняться единым устройством. В состав ИКМ кодера включают фильтр нижних частот, ограничивающий спектр входного сигнала и предотвращающий появление по­мех субдискретизации. Эти помехи могут возникнуть из-за перекрытия спект­ров исходного аналогового и преобразованного цифрового сигналов при ИКМ, когда не выполняется условие теоремы Котельникова для частоты модулирую­щего сигнала F и частоты дискретизации: 2F>fд. 

Дискретизация сигнала производится устройством отсчета и запоминания (выборки и хранения), квантование и кодирование осуществляются аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Фильтр нижних частот должен иметь полосу пропускания до 20 кГц и та­кое значение затухания вне полосы, чтобы исключить влияние помех субдис­кретизации на передаваемый сигнал. Желательно, чтобы спектральные состав­ляющие сигнала, начиная с частоты 0,5 fд (приблизительно 22 — 25 кГц), были подавлены на 90 — 100 дБ. В то же время желательно не вносить значитель­ных фазово-частотных искажений в аналоговый сигнал в процессе фильтрации.

После фильтрации фильтром нижних частот аналоговый сигнал подвергает­ся дискретизации. В течение короткого интервала времени производится от­счет значения сигнала, и затем это значение запоминается на время, необхо­димое для аналого-цифрового преобразования. 

Широкое распространение получили аналоговые устройства отсчета и за­поминания (УОЗ) со стробированием импульсами прямоугольной формы по­стоянной длительности. В них отсчет производят путем интегрирования сигна­ла в течение короткого отрезка времени. В качестве накопительного элемен­та используют конденсатор, цепь заряда которого стробируют прямоугольным импульсом

Аналого-цифровой преобразователь преобразует отсчеты аналогового сиг­нала в кодовые слова. Принципы построения АЦП описаны в 1[3, 4]. Рассмот­рим один из видов преобразователей, простой в реализации и пригодный для цифровых магнитофонов, — АЦП с последовательным приближением В основе его работы лежит принцип последовательного сравнения значения входного сигнала с 1/2, 1/4, 1/8 и т. д. от возможного максимального его значения. В m-разрядном АЦП процесс преобразования длится в течение m последовательных шагов приближения. 

Входной сигнал UВх с выхода устройства отсчета и запоминания посту­пает на один из входов компаратора 3. На второй вход компаратора посту­пает аналоговый сигнал, сформированный цифро-аналоговым преобразовате­лем (ЦАП) 2, на цифровые входы которого поступают сигналы, специально сформированные программным устройством (ПУ) 5 по команде, пришедшей на вход запуска. По этой команде ПУ формирует первый код, который соот­ветствует половине максимально возможного значения входного сигнала и с выхода ЦАП соответствующее напряжение поступает на инвертирую­щий вход компаратора. Если это напряжение меньше значения входного сиг­нала, то на выходе компаратора вырабатывается перепад, изменяющий ко­манду программного устройства. Одновременно с m-й цифровой шины ЦАП во внешнюю цепь в т-м разряде поступает 1. Затем программным устройством вырабатывается код, соответствующий (1/2+1/4)UВх. Соответствующий анало­говый сигнал с выхода ЦАП вновь поступает на компаратор. Если он превы­шает значение входного сигнала, то на выходе компаратора образуется пе­репад, противоположный первому, и следующий код с программного устрой­ства соответствует предыдущему сигналу, уменьшенному на 1/8 максималь­ного значения, т. е. (1/2+1/4 — 1/8) UBx макс. С выхода т — 1 шины во внешнюю

цепь поступает 0 и т. д. По истечении т шагов последовательного приближе­ния к значению измеряемого сигнала на выходных шинах образуется соот­ветствующее кодовое слово. Шаг приближения задается генератором такто­вых импульсов (ГТИ) 4. Эталонный сигнал для формирования напряжений на рыходе ЦАП поступает с генератора опорного напряжения (ГОН).

Сформированные в АЦП цифровые сигналы каждого из каналов в виде последовательности кодовых слов поступают на вход блочного кодера, в ко­тором осуществляется блочное помехозащитное кодирование.

Устройство сопряжения цифровых сигналов. Цифровые звукотехнические устройства выполняют таким образом, чтобы их можно было соединять друг с другом, образуя необходимый в конкретных условиях комплект оборудова­ния. Для обеспечения возможности таких соединений и для взаимозаменяемо­сти различных устройств необходима в первую очередь идентичность сигналов входа/выхода звукотехнических устройств.

Наиболее удобная форма передачи цифровых сигналов звука между уст­ройствами — последовательный код. Этот код, как и код, используемый в маг­нитной записи, должен обладать свойствами самосинхронизации, содержать различного рода служебную информацию и должен быть защищен от ошибок. Условия передачи цифровых сигналов между отдельными устройствами менее жесткие, чем условия цифровой записи — воспроизведения, поэтому требова­ния, предъявляемые к коду вход/выход оборудования, отличаются от требований, предъявляемых к коду для магнитной записи. Форматы этих кодов различны.

Первое назначение устройства сопряжения состоит в согласовании кодов входа/выхода с кодами, сформированными внутренними аналого-цифровыми пре-вбразователями цифрового магнитофона.

В простейшем случае, когда параметры АЦП внешнего устройства и циф­рового магнитофона совпадают, от устройства сопряжения требуется лишь выделение информационной и служебной частей внешнего цифрового сигнала. 

Входной цифровой сигнал от внешнего источника непрерывно поступает на регистр сдвига 1. В момент прихода синхрослова в дешифратор 2 вырабаты­вается команда разрешения прохождения входной информации (с начала блока) в буферную память 4, где осуществляется временное выравнивание входного сигнала. Далее сигнал поступает на демультиплексор 5, которым от­деляется служебная информация от основного потока. Служебная информа­ция поступает в блок управления 7, а сигнал программы поступает на вход де­кодера защиты от ошибок 6, на выходе которого восстанавливается информа­ционная часть звуковой программы. Выходной сигнал декодера идентичен по своему форма! у выходному сигналу АЦП цифрового магнитофона. Этот сиг­нал через согласующее выходное устройство 8 поступает в дальнейшем на блочный кодер цифрового магнитофона. Устройство управления 7 обеспечива­ет согласование режимов работы отдельных узлов устройства сопряжения.

Иногда требуется сопрягать с цифровым магнитофоном цифровой источ­ник звукового сигнала, имеющий другую частоту дискретизации. В этом слу­чае устройство сопряжения должно содержать передискретизатор — узел, осу­ществляющий передискретизацию (замену одной частоты дискретизации дру­гой).

 Пусть исходная частота дискретизации сигнала fa = 32 кГц, а требуемая частота дискретизации fa = 48 кГц. На рисунке сплошными линиями показаны отсчеты исходного сиг­нала, а штриховыми — отсчеты передискретизованного сигнала. Значения отсчетов передискретизованного сигнала получаются после суммирования сосед­них отсчетов исходного сигнала с разными весовыми коэффициентами: и т. д., где а0, ait a2,... — отсчеты исходного сигнала; bit Ь2, Ь3,... — отсчеты пе­редискретизованного сигнала.

Возможен более сложный алгоритм работы арифметического устройства, при котором учитываются и значения не только соседних, но и других отсче­тов.

Передискретизация подобным образом легко осуществляется лишь в слу­чае, когда частоты дискретизации связаны простыми соотношениями. В про­тивном случае необходимо вначале преобразовывать цифровой сигнал в анало­говый и вновь осуществлять аналого-цифровое преобразование с новой час­тотой дискретизации. Такое преобразование обычно называют транскодирова­нием.

Возможен и более сложный режим устройства сопряжения, когда произ­водится коммутация двух сигналов. В этом случае выполняется численная операция сложения отсчетов этих сигналов с плавно изменяющимися коэф­фициентами, чтобы обеспечить плавность переходов сигналов во избежание щелчка Еще более сложные режимы работы согласующего уст­ройства, связанные плавным микшированием и электронным монтажом,

С согласующего устройства информационные биты звуковой программы от АЦП магнитофона либо от внешнего цифрового источника поступают на блоч­ный кодер. Эти сигналы могут быть предварительно объединены в единый цифровой поток.

Блочный помехозащитный кодер предназначен для осуществления помехо­защитного кодирования исходных цифровых сигналов и представления их в виде отдельных блоков кодовых слов с блоковой (цикловой) синхронизацией и другими служебными битами.

Организация цифрового потока в виде блоков, с одной стороны, облегчает восстановление временного масштаба сигнала при воспроизведении и, с дру­гой стороны, упрощает восстановление сигнала после непредвиденного сбоя.

Временной масштаб воспроизводимого сигнала искажается из-за неравно­мерности движения носителя, из-за статических и динамических перекосов лен­ты. Например, из-за перекосов временные смещения сигналов на крайних до­рожках могут достигать десятков битов.

Блочное кодирование в сочетании с использованием буферной памяти по­зволяет с частотой следования блоков восстанавливать временной масштаб, обеспечить взаимозаменяемость фонограмм и полностью устранить такой де­фект аналоговой записи, как детонация.

Блочный кодер защиты от ошибок содержит собственно ко­дер защиты от ошибок и распределитель цифровых сигналов по каналам за­писи. Вообще говоря, блочный кодер может сочетать в себе и возможности канального кодирования, но для простоты изложения процессы помехозащит­ного и канального кодирования мы рассмотрим вначале последовательно.

Поскольку при цифровой записи звука требуется надежная защита от ошибок, легко реализуемая каскадным кодированием, собственно кодер защи­ты от ошибок содержит два кодера — внешний К.ЗО1 и внутрен­ний КЗО2 — и перемножитель ПМ.

Конкретные виды внешнего и внутреннего кодов, их параметры и пара­метры перемежения в большой степени зависят от свойств используемого ка­нала прямой записи — воспроизведения. Часто используют линейные коды, в частности код Хэмминга, БЧХ-коды. В последнее время нашли широкое при­менение более сложные коды, например код Рида — Соломона.

Блочный помехозащитный код. Рассмотрим один из вариантов кодов для студийной цифровой записи звука. Каждый отсчет звукового сигнала переда­ется 16 битами. Исходный звуковой сигнал разбивается на фрагменты дли­тельностью в 8 отсчетов (128 информационных бит). Для защиты от ошибок использовано 64 избыточных бита. Помехозащитное кодирование осуществля­ется в несколько приемов. Восемь 16-разрядных слов вначале преобразуются в шестнадцать 8-разрядных слов. Затем осуществляется их преобразование по правилу кодирования Рида — Соломона в двадцать 8-разрядных слов. При этом образуется укороченный код Рида — Соломона (20, 16) с кодовым рас­стоянием 5. Затем осуществляется перемежение слов, после чего вновь произ­водится кодирование, в результате которого 20 перемеженных 8-разрядных слов перекодируются по правилу Рида — Соломона в 24 слова, образуя новый укороченный код (24, 20) с кодовым расстоянием 5.

После образования кода защиты от ошибок к блоку в виде двадцати че­тырех 8-разрядных слов (192 бит) могут быть добавлены биты (слова) син­хронизации, отличающиеся от любого слова кода и от любого стыка слов, и биты идентификации и управления. Наконец, образованные слова распреде­ляются по каналам записи.

Перемежитель информации. Суть перемежения, как отмечалось ранее, за­ключается в «растягивании» информации кодового блока вдоль дорожки записи или по площади носителя с тем, чтобы выпадение не поразило большого количества рядом расположенных битов. Перемежение достигается задержи­ванием отдельных битов или кодовых слов на различные интервалы времени. Задержка битов или слов может осуществляться различными способами с применением регистров, ОЗУ и т. д. 

Принцип работы перемножителя с применением ОЗУ с произвольным доступом и ПЗУ поясняется на примере, Первый блок входной информации записывается в первое ОЗУ 3 в естественном по­рядке адресов (О, 1, 2...), который задается счетчиком адреса 1. После запол­нения информацией первого ОЗУ входной поток переключается и поступает на вход второго ОЗУ 4, адресный вход которого подключается к счетчику адре­са 1. Одновременно с этим на адресный вход первого ОЗУ начинают посту­пать сигналы адресов в соответствии с правилом перемежения, записанные в ПЗУ 2, перемеженная информация поступает на выход устройства. После за­полнения второго ОЗУ входная информация вновь поступает на первое ОЗУ,, выходная шина подключается ко второму ОЗУ и устройства адресации меня­ются местами. В дальнейшем процесс повторяется. 

В этом блоч­ном леремежмтеле каждое t-e слово задерживается «а интервале тi=(i — 1)kn слов=(i — 1)6 блоков (i=1,2,... , n — номер слова в блоке; k=1,2, .„ — шаг перемежения). Таким образом, Ti = 0, тп=(n — 1)kn слов или (n — 1)k блоков,, т. е. первое слово каждого блока остается на месте, а n-е слово занимает место n-го слова в блоке, отстоящем от исходного блока на (n — l)k блоков.

Принцип работы перемежителя заключается в следующем. Входная ин­формация поступает одновременно на n кристаллов запоминающего устройства с произвольным доступом (ЗУ) емкостью nk m-разрядных слов. Для всех ЗУ и независимо от режима записи и считывания (3/Сч) используется один счет--чик адреса. Во время записи в одно ЗУ из остальных ЗУ производится счи­тывание. В каждое ЗУ по адресам от 1-го до nk-гo записывается nk слов, со­ставляющих k блоков, а затем в течение (n — 1)k блоков происходит их мно­гократное [(« — !)] раз считывание с той же частотой. Затем цикл повторяет­ся. Считывание первого слова каждого блока осуществляется во время запи­си.

Благодаря использованию коммутатора на выход перемежителя от одно­го ЗУ за интервал k блоков поступает nk слов в моменты и с адресами, соот­ветствующими правилу перемежения. Коммутатор за время одного блока опра­шивает все ЗУ по текущим адресам. Очередность опроса одинакова в преде­лах группы из k блоков и меняется от группы к группе. Например, в течение j-го блока опрос ЗУ производится в следующем порядке: 1, n, n — 1,...,3,2. То же происходит в течение (j+k — !)-го блока. В интервале (j+k)-го блока последовательность опроса такая: 2, -1, л, (n — 1),...,4, 3. В результате, напри­мер, слово Anj, записанное в первом ЗУ по адресу n, считывается из него

(n — 1) раз, но на выход перемежителя поступает только в соответствующем интервале времени. (Это происходит в блоке с номером j+(n — 1)&.) Комму­татор представляет собой регистр с обратной связью, в котором циркулиру­ет 1.

Распределитель сигналов (демультиплексор). В распределителе происхо­дит распределение кодированных сигналов по каналам записи (по числу до­рожек записи). Иногда распределение сигналов осуществляется одновременно с помехоустойчивым кодированием.

В простейшем варианте распределитель сигналов представляет собой де­мультиплексор. Более сложный распределитель  помимо демультиплексора содержит буферные устройства памяти 3 с емкостью, позволяющей за­писать один блок кодированного сигна­ла, а также устройство формирования синхрослова кодового блока и слова идентификации и управления 2. Окон­чательное формирование кодовых бло­ков каждого канала производится в мультиплексорах 4.

Часто распределитель сигналов вы­полняет я-дорожковое перемежение сиг­налов, формируя кодовые блоки таким образом, чтобы цифровая информа­ция одного звукового канала распреде­лялась по нескольким дорожкам запи­си. Цель такого перемежения состоит в уменьшении влияния длительных вы­падений, вызванных продольными цара­пинами на ленте. Продольная царапи­на, разрушающая информацию вдоль одной дорожки, поражает лишь отдель­ные слова каждого из звуковых каналов. И благодаря тому, что перемежен­ные слова входят в разные системы проверок (по другим дорожкам), оказы­вается возможным полностью исправить ошибки при воспроизведении.

Канальный кодер (модулятор) предназначен для формирования канально­го кода с целью согласования цифрового сигнала со свойствами канала запи­си — воспроизведения. 

Рассмотрим принципы построения канальных кодеров для некоторых из них. 

Бифазный кодер. Простейший бифазный кодер может быть выполнен с помощью логической цепи, выполняющей операцию АБ+ЛВ (А — исходный цифровой сигнал в форме кода БВН; В — меандр с периодом, равным такто­вому интервалу исходного сигнала). Эпюры напряжений и принципиальная электрическая схема бифазного кодера  

Бичастотный кодер можно выполнить в виде логической цепи, выполняю­щей операцию ЛВ+АС (С — серия импульсов с периодом, равным половине тактового интервала), и 7-триггера

Трехчастотный кодер легко построить на базе бичастотного или бифазно­го кодера, добавив к ним Г-триггер. Пример построения кодера Миллера одобным образом могут быть построены кодеры и других трехчастотных кодов.

Возможны иные варианты построения трехчастотных кодеров — с исполь­зованием элементов задержки, дешифратора и цепи управления, вводящей ог­раничения, предусмотренные правилом кодирования. Аналогично можно строить более сложные кодеры, например М2 и HDM-1. В кодере Л12 используются ре­гистр сдвига, два дешифратора и два устройства введения ограничений — для пропуска точки изменения полярности, когда 0 следует за 1, и точки измене­ния полярности, когда 1 является последней в серии 1.

Групповые коды. Кодеры ЗРМ и 8/16 могут быть выполнены с исполь­зованием устройства памяти, в качестве которого можно применить постоян­ное запоминающее устройство (ПЗУ) На адресные шины ПЗУ поступают кодовые слова исходной информации (3-разрядные в случае ЗРМ и 8-разрядные в случае 8/16), а с выхода ПЗУ поступают соответствующие за­писанные в нем комбинации. Считывание из ПЗУ производится с повышенной частотой, чтобы сохранить реальный масштаб времени после преобразования. В кодере ЗРМ предусматривается устройство замены комбинаций 101 на 010 на стыках слов.С выхода канальных кодеров сигнал поступает в усилители записи для последующей записи на ленту.

Усилитель записи. Усилители записи преобразуют напряжение кодирован­ного сигнала в ток головки записи. Смещение среднего значения постоянной составляющей тока записи при передаче неполностью сбалансированных кодов может привести к значительным искажениям записываемой сигналограммы. Поэтому связь усилителя записи с головкой записи осуществляется кондуктив-но. В зависимости от вида обмотки магнитной головки различают два типа усилителя записи.

В случае использования обмотки головки записи без средней точки усили­тель запиеи выполняют двухполупериодным и питают от двух источников пи­тания

Если головка записи имеет обмотку со средней точкой, усилитель записи можно питать от одного источника  Иногда при записи вводят предыскажения тока с тем, чтобы создать наи­более благоприятные условия формирования сигналограммы. В усилителе интегрирующие RС-цепи превращают прямоугольные импульсы тока в им­пульсы с плавно нарастающим фронтом и резким срезом. Подобное предыска­жение тока (поля) записи приводит к уменьшению наклона намагниченной зоны сигналограммы, уменьшает стирание ранее записанной зоны и способствует уменьшению амплитудных и фазовых искажений воспроизводи­мого сигнала. 

Магнитные головки и лента. Блоки записывающих головок со­держат головки записи цифровых сигналов программы и головки записи слу­жебных цифровых и аналоговых сигналов. О типичных размерах и расположе­нии головок в профессиональных магнитофонах можно судить по сигналограммам  Головки воспроизведения имеют ширину рабочего зазора, не превышаю­щую 0,5 мкм, чтобы обеспечить воспроизведение сигналов, записанных с плот­ностью более 1000 бит на миллиметр.

Для цифровой записи звука используется магнитная лента с тонкой элас­тичной основой и нетолстым рабочим слоем. Особенностью ленты для цифро­вой записи звука являются высокая плотность записи, небольшое и нормиро­ванное количество выпадений. Для уменьшения выпадений в процессе эксплуатации в узле головок магни­тофона предусматривают специальный очиститель ленты от пыли и грязи. Очиститель часто выполняют в виде скребка с остро отточенными краями.

Скребок иногда выполняют в виде пластины с цилиндрическими отверстиями

Усилитель воспроизведения. Требования к усилителям воспроизведения циф­рового сигнала программы обычные: малый уровень шума, согласование с полным сопротивлением головки и амплитудно-частотная коррекция, способст­вующая улучшению формы воспроизводимого сигнала.

Усилители воспроизведения временного и управляющего кода должны обес­печивать воспроизведение сигнала при повышенных (до 30 раз) и понижен­ных (до 10 раз) скоростях ленты. Поэтому они должны быть достаточно широ­кополосными и иметь спадающую с ростом частоты форму амплитудно-частот­ной характеристики. 

Воспроизведенный с каждой дорожки и усиленный усилителем воспроизве­дения цифровой сигнал поступает на вход канального декодера.

Канальные декодеры предназначены для декодирования воспроизведен­ных сигналов и выделения из них сигналов синхронизации. Поскольку из-за колебаний скорости и помех воспроизводимый сигнал приобретает временные искажения, синхронизирующее устройство декодера должно иметь фазовую ав­топодстройку частоты. В идеальном случае канальный декодер можно пред­ставить как идеальный приемник данного вида канального сигнала с синхрони­затором и формирователем выходного сигнала  Но алгоритм и реа­лизация оптимального приема канальных сигналов оказываются весьма слож­ными. Поэтому на практике канальные декодеры строят по более простым в реализации алгоритмам.Синхронизатор декодера выполняется в виде управляемого генератора с ФАПЧ. Эпюры напряжений в отдельных точках декодера

В бичастотном декодере правильное декодирование происходит по исте­чении первого тактового интервала воспроизводимого сигнала. В трехчастот-ном декодере правильное декодирование происходит лишь после прихода оп­ределенной комбинации из трех символов, которое в конкретном трехчастот-ном коде определяет интервал между сменой полярности сигнала, равный 2ГТ. В коде Миллера) такой комбинацией является 101, в коде 6, показанного на том же рисунке, — 010.

Декодер М2 осуществляет правильное декодирование лишь после прие­ма сигнала с изменением полярности на интервале ЗГТ, определяемого комби­нацией исходного сигнала М01

Групповые декодеры должны содержать формирователи тактовых сигна­лов как группового кода, так и декодированного цифрового сигнала. Принци­пиально такие декодеры могут быть выполнены с использованием ПЗУ, на адресные шины которого поступает воспроизводимый групповой код, а деко­дированный сигнал считывается с выхода. Однако алгоритмическое декодиро­вание — более простое в реализации, и поэтому его используют чаще.

Сложные канальные декодеры избыточных канальных кодов выполняют и дополнительную функцию — обнаружение ошибок. Обнаруженные ошибки «по­мечаются» символами «стирания», и в последующих устройствах помехозащит­ного декодирования осуществляется исправление «стираний». Процедура ис­правления стираний оказывается значительно проще процедуры исправления ошибок.

Декодированный канальными декодерами сигнал представляет собой циф­ровой сигнал (например, в форме БВН) с изменяющимся масштабом време­ни. Нестабильность масштаба определяется нестабильностью воспроизводимого сигнала и характеристиками синхронизующего устройства канального декоде­ра. Декодированный сигнал и восстановленные тактовые импульсы поступают на компенсатор временных искажений. 

В состав трехчастотных декодеров и декодера М2 должны входить де­текторы указанных протяженных сигналов или дешифраторы указанных ком­бинаций и устройство разрешения подачи декодированного сигнала на выход.Компенсатор временных искажений (КВИ) предназначен для выравнива­ния временного масштаба воспроизводимого сигнала. 

Обычно КВИ строят на базе буферной памяти. В память записывают входной сигнал с нестабильной частотой, а считывают из нее сигнал со ста­бильной частотой. Буферная память обычно состоит из двух оперативных за­поминающих устройств 2, 3 режим работы которых задается уст­ройством управления (УУ) 6. Устройство управления содержит дешифратор, по сигналу с которого начинается цикл работы компенсатора. Устройство уп­равления формирует сигналы управления записью/считыванием с помощью счетчиков, отсчитывающих необходимое количество синхроимпульсов в соот­ветствии с емкостью ОЗУ или в зависимости от длины блоков входных кодо­вых сигналов.

Входной сигнал с выхода канального декодера по команде с УУ записы­вается в первое ОЗУ 2. Тактовыми импульсами для записи служат восстанов­ленные синхронизатором канального кодера синхроимпульсы воспроизводимо­го сигнала. После заполнения первого ОЗУ входной цифровой поток переклю­чается коммутатором 1 и поступает на вход второго ОЗУ 3. Одновременно с этим выходной коммутатор 4 подключает выход первого ОЗУ к выходу уст­ройства, и происходит считывание со стабильной частотой ранее записанной информации. Тактовые импульсы считывания вырабатываются стабильным ге­нератором 5. После заполнения второго ОЗУ вновь осуществляется коммута­ция входных и выходных сигналов. Входной сигнал записывается в первое ОЗУ, а из второго ОЗУ происходит считывание. Затем циклы повторяются.

Иногда во избежание переполнения памяти при значительных временных искажениях в КВИ используют дополнительное промежуточное буферное уст­ройство.

Правильная работа КВИ может быть обеспечена лишь при стабильной средней скорости воспроизведения. В противном случае произойдет либо пе­реполнение памяти, либо пропуск сигнала. Для стабилизации средней скоро­сти в цифровых магнитофонах в качестве управляющих используют импуль­сы, воспроизводимые с ленты, а в качестве опорных — импульсы от стабиль­ного кварцевого генератора.

Блочный помехозащитный декодер предназначен для исправления оди­ночных ошибок и пакетов ошибок в воспроизводимом сигнале. В случае, ког­да ошибок слишком много и помехозащитный код не может обеспечить их ис­правление, в помехозащитном декодере формируются команды для маскиро­вания ошибок. В крайне неблагоприятных ситуациях, когда в воспроизводи­мом сигнале появляется недопустимо много ошибок, в декодере формирует­ся команда блокирования выхода цифрового магнитофона. 

Блочный помехозащищенный декодер содержит объединитель-распределитель, собственно помехозащитный декодер и выходной распреде­литель.

Объединитель-распределитель. Входной объединитель-распределитель слу­жит для объединения сигналов, воспроизводимых с отдельных дорожек, вы­деления из них служебной информации, используемой для идентификации и управления, и в случае необходимости для распределения сигналов програм­мы по отдельным входам многоканального помехозащитного декодера.

Возможны различные варианты построения объединителя-распределителя в зависимости от конкретной структуры помехозащитного декодера и КВИ и различные места его включения. Например, объединитель-распределитель мо­жет быть включен перед КВИ.

Помехозащитный декодер, как правило, содержит два декодера — внутрен­ний и внешний — и деперемежитель, включенный между ними. В качестве при­мера рассмотрим декодер для варианта кода и перемежения,

Входной сигнал представляет собой блоки, содержащие 192 бит в виде двадцати четырех 8-разрядных слов кода Рида — Соломона (24, 20). Схема декодера показана на

В декодере (24, 20) происходят обнаружение ошибок и иснравление од­ного ошибочного слова из 24 слов. Если в блоке обнаруживается более одно­го ошибочного слова, полагается, что имеется пакет ошибок и все 24 слова блока считаются ошибочными. Они помечаются символами стирания, которые вместе со словами подвергаются задержке в деперемежителе. 

После деперемежения сигналы поступают на декодер Рида — Соломона (20, 16), который работает в режиме исправления стираний. В нем исправля­ется до четырех стираний из 20. Благодаря использованию перемежения при кодировании четыре стертых слова могут одновременно поступить на деко­дер (20, 16) только в том случае, когда поражено 4k 24-словных блоков. Та­ким образом, может быть исправлен пакет ошибок длительностью в 4k блоков на интервале в 20 блоков. Для k = 4 длина исправляемого пакета составляет 3072 бит (из них информационных 2048 бит).

Защиту от ошибок можно усилить, если использовать ошибкообнаружи-вающую способность канальных избыточных кодов. Если предположить, что канальный декодер обнаруживает одиночные ошибки, то можно рассматривать код канала как внутренний, а код Рида — Соломона (24, 20) как внешний код нового каскадного кода. Тогда условно включив канальный декодер в состав декодера защиты от ошибок, уже на первом этапе декодирования мож­но исправлять не одно слово, а четыре слова из 24 путем исправления их в декодере (24, 20).

Деперемножитель декодера может иметь ту же структуру, что и перемно-жйтель, описанный на с. 21. Изменяется лишь порядок циркуляции 1 в ком­мутаторе.

Маскирование ошибок. В случае, когда на последнем этапе исправления ошибок, например, ранее описанном в декодере (20, 16), не удается исправить все ошибки, слова с ошибками помечаются символами ошибки и само маски­рование осуществляют после восстановления информационных 16-разрядных слов.

Простейшее устройство маскирования представляет собой линейный интер­полятор, вычисляющий среднее арифметическое двух 16-разрядных слов, рас­положенных слева и справа от пораженного. Вычисление производится с по­мощью сумматоров. В более сложных устройствах интерполяция осуществля­ется по нескольким словам слева и справа от пораженного по более сложно­му алгоритму.

Аварийное блокирование выхода магнитофона, точнее выхода коммутато­ра блочного декодера, осуществляется, когда количество ошибок превосходит допустимое значение ошибок. Сигнализировать об этом может либо интер­полятор в случае, когда выбранное для интерполяции слово помечено симво­лом ошибки, либо специальный счетчик ошибок, настроенный на определенное количество тактовых интервалов. Сигналы о маскировании и о блокировке вы­хода магнитофона обычно выводятся на индикаторы, расположенные на соот­ветствующих блоках магнитофона.

Выходной распределитель осуществляет объединение 8-разрядных слов в 16-разрядные слова отсчетов и распределение информационного сигнала по выходным каналам магнитофона, каждый из которых содержит ИКМ деко­дер и выходное устройство сопряжения.

Декодер для импульсно-кодовой модуляции предназначен для преобразова­ния воспроизводимого информационного цифрового сигнала в аналоговый сигнал. Он состоит из ЦАП, фильтра нижних частот и выходного усилителя. Фильтр иижних частот аналогичен фильтру, описанному на с. 19.

Принцип работы устройства сопряжения цифровых сигналов описан на с. 20. Выходное устройство сопряжения преобразует воспроизведенный циф­ровой код программы во внешний код устройства, например в код студийно­го звукотехнического оборудования.

Дополнительные устройства цифровых магнитофонов. Любой цифровой магнитофон имеет индикаторы уровня, показывающие уровень записываемого либо воспроизводимого сигнала.

Во всех цифровых магнитофонах имеется система автоматического регу­лирования (САР) средней скорости, натяжения ленты во всех режимах рабо­ты. Управление системами регулирования и всеми функциями магнитофона осуществляется с помощью цифровой системы управления режимами работы. Ручное управление осуществляется с помощью кнопок панели управления. В профессиональных цифровых магнитофонах управление режимами работы мо­жет осуществляться электрически по командам с устройства монтажа либо с пульта дистанционного управления. В кассетных магнитофонах устройство управления функциями аппарата обычно выполняют на микропроцессорных сборках либо в виде БИС.

Состояние режимов работы магнитофона сигнализируется с помощью ин­дикаторов, расположенных на передней панели. Состояние работы отдельных блоков обычно сигнализируется с помощью светодиодных индикаторов, рас­положенных на лицевых панелях соответствующих устройств. Например, в по­мехозащитном декодере загорание одного из светодиодов означает обнаруже­ние ошибки.

Профессиональные цифровые магнитофоны содержат генератор временного к управляющего 80-битного кода, который несет в себе информацию о текущем времени, служебную информацию о режимах записи и о характеристиках пре­образования сигналов (об используемых предыскажениях, частоте дискретиза­ции и т. п.) и информацию, предусматриваемую звукорежиссером или операто­рам. Восьмйдесятйбитмый иод записывается на ленту одновременно с про­граммой. При воспроизведении информация, заложенная в коде, используется для автоматического управления функциями магнитофона и для осуществления электронного монтажа. Информация о времени выводится на индикатор на передней панели магнитофона. 

Параметры цифровых студийных магнитофонов 

Параметр

Значение

РСМ3321 (Sony. Studer)

МХ80 (МХ80А) (Telefunken Mitsubishi)

МХ-800 (Telefunken Mitsubisi)

Количество каналов

24

2

32

Ширина ленты, мм Количество дорожек

12,7 28(24+2+1 + 1)

6,3 10(2x4+1 + 1)

25,4 38 (32+2+2+2)

Ширина дорожки, мкм Скорость записи, см/с

240 70; 76,2

38,1

76,2

Продолжительность записи, мин

65; 60*

60

60

Продолжительность

 

 

 

перемотки, мин

5

 

 

Частота дискретизации,

 

 

 

кГц

44,1; 48

48

48

Количество бит на отсчет Полоса частот, Гц — кГц

16 20 — 20

16 20 — 20

16 20 — 20

Неравномерность АЧХ, ДБ

+0,5 — 1,0

+0,5 — 1,0

+0,5 — 1,0

Максимальный динами-

 

 

 

ческий диапазон, дБ

90

90

90

Гармонические искаже­ния, %

0,05

0,05

0,05

Детонация

Отсутствует

Отсутствует

Отсутствует

Цифровая скорость на зетовой канал, Мбит/с

1,152*

1,884

0,942

Продольная плотность записи, кбит/мм

1,511*

0,793

1,236

Поверхностная плот­ность записи, кбит/мм2

3,333*

1,259

1,8

Вид помехозащитного кодирования

Циклический код и код с перемежением

Циклический код и код Р — С

Циклический код и код Р — С

Код канала

HDM-1

МЧМ

 

Магнитная лента Масса, кг

D-1 /2-2920 D-1/2-1460

220

Амрех 466-173 J 1J ЗМ (Scotch): 82 64D 8264 Agfa:PEM297D 80(120)

 

Габаритные размеры, мм

830x990x740

 

1250Х715ХИ50

Потребляемая мощность, кВ-А

3

0,35

 

Электронный монтаж

Синхронный, встав­ка, продолжение, перезапись с до­рожки на дорожку с любой точки

Синхронный, встав­ка, продолжение

Синхронный, вставка, продол­жение, переза­пись с дорожки на дорожку

* При частоте дискретизации 48 кГц и скорости записи 76,2 см/с. 

Для удобства пользователя в цифровых магнитофонах предусмотрены аналоговые каналы записи/воспроизведения звука, которые обычно исполь­зуют для режиссерских (комментаторских) целей. 

Параметры цифровых кассетных магнитофонных панелей

Параметр

Значение

JVS

Sharp

Pioneer

Sony

Sanyo

Направление записи

Два

Одно

Одно

Одно

Одю

Количество дорожек

9(4X2X1)

18(8x2+2)

8(4x2)

38(16x2+6)

10(5x2)

Ширина дорожки, мкм

150

120

250

70

180

Скорость записи, см/с

7,1

9,5

9,5

4,75

7,0

Продолжительность записи на кассетах С-90, мин

60

22,5

22,5

45

30

Частота дискретизации, кГц

33,6

44,056

44,1

44,1

44,056

Количество бит на отсчет

экв. 14

14

14

16

14

Полоса частот, кГц

20

20

20

20

20

Неравномерность АЧХ, дБ

+0,5-1

+0,5 — 1

+0,5 — 1

+0,5 — 1

+0,5-1

Максимальный динамический диапазон, дБ

80

80

80

90

80

Гармонические искажения, %

0,05

0,05

0,05

0,05

0,05

Детонация

Отсутствует

Отсутствует

Отсутствует

Отсутствует

Отсутствует

Цифровая скорость, Мбит/с

1,04

2,15

1,5

2,16

2,06

Продольная плотность записи, кбит/мм

1,82

1,41

1,97

1,42

2,94

Поверхностная плотность записи, кбит/мм2

12,1

7,13

8,37

14,88

7,75

Магнитная лента

Металлизиро-

Кобальтирован-

Лента для

Металлизиро-

 

ванная

 

ная

видео аписи

ванная

Головки

Маталлические

Тонкопленочные

Металлические

Тонкопленочные

Металлические

 Итак, рассмотрена структура цифрового магнитофона с продольной много-дорожечной записью, описаны особенности и принцип действия отдельных его узлов и блоков. Большинство разработанных в мире цифровых студийных и профессиональных магнитофонов имеет подобную структуру и использует узлы и блоки, аналогичные описанным.

В табл. 2 приведены параметры широко известных студийных цифровых магнитофонов. В табл. 3 приведены параметры кассетных цифровых магнито­фонных панелей (магнитофонов без усилителя мощности).

В заключение можно отметить, что прогресс в области цифровой магнит­ной звукозаписи достигнут благодаря успехам в отдельных областях, а имен­но:

благодаря развитию микроэлектроники, в частности, создание 16-разрядных АЦП, ЦАП, больших интегральных схем, реализующих операции кодирования и обработки звуковых сигналов в реальном масштабе времени, микропроцес­сорных БИС управления всеми функциями магнитофона;