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 

* 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

 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;