Цифровые магнитофоны с продольной многодорожечной записью
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,
(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.
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.
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 |
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;