13.13. Канал магнитной записи-воспроизведения цифровых магнитофонов

В состав канала (рис. 13.41) входят: канальный кодер КК, усили­тель записи УЗ, магнитное звено МЗ, т.е. магнитная лента – магнитные головки, усилитель воспроизведения УВ, регенератор цифрового сигна­ла РС с системой восстановления сигнала синхронизации СС, декодер (демодулятор) канального кода Д.

Р ис.13.41. Структурная схема канала магнитной записи-воспроизведения цифрового магнитофона

При построении канала магнитной записи-воспроизведения исполь­зуются ряд общих с каналами связи решений и методов обработки сиг­налов, причем учитывается специфика физических свойств среды (маг­нитных элементов), в которой осуществляется перенос сигнала. Одна из характерных особенностей канала магнитной записи-воспроизведения – существенное отличие формы записываемого сигнала от формы воспро­изводимого сигнала. Причина – частотные и волновые потери, возникающие в процессе записи-воспроизведения цифровых последователь­ностей и приводящие к изменению соотношений между амплитудами и фазами спектральных составляющих импульсов цифрового сигнала. Переходная характеристика, описывающая сигнал на выходе идеальной индукционной ГВ при воздействии на нее скачка намагниченности но­сителя, и поэтому показывающая, как искажается сигнал записи, может быть получена путем преобразования Фурье волновой характеристики пары «лента – магнитная головка». Видоизменяя с помощью преобра­зования Фурье выражение, учитывающего щелевые, контактные и слойные потери, получаем следующее выражение для переходной ха­рактеристики тракта воспроизведения:

Для аппроксимации реальных сигналов используется также и бо­лее простое выражение в виде колоколообразной функции (функции Гаусса):

где σ² =∑ σ²_i – параметр, учитывающий вклад каждой составляю­щей потерь σ_i

Реакция ГВ на последовательность импульсов тока записи прямо­угольной формы (рис. 13.42,а) представляет собой последовательность импульсов (рис. 13.42,б), близких по форме к импульсам вида (13.25) или (13.26). Интервал между изменениями намагниченности на маг­нитной ленте L связан с относительной скоростью движения "голов­ка записи – магнитный носитель" г>3 (при записи) и интервалом сле­дования импульсов тока записи Т3 выражением L = υ3Т3. Учиты­вая это, можно найти интервал следования воспроизводимых импульсов Т_В = L/ν_з = ν_зт_з/ν_в , где ν_в – скорость при воспроизведении сигнала. Когда значение Т_В оказывается соизмеримым с длительностью откли­ка на перепад намагниченности носителя (с длительностью переходной характеристики), возникает явление межсимвольной интерференции (рис. 13.42,г). Межсимвольная интерференция является одной из при­чин ограничения плотности записи и появления ошибок при воспроиз­ведении сигнала. Для ее уменьшения принимают меры по уменьшению длительности отклика (переходного процесса). С этой целью при ци­фровой записи используют ГВ с рабочими зазорами шириной в доли микрометра и осуществляют коррекцию частотной характеристики кана­ла. Как правило, стремятся сформировать такую частотную характеристику канала, при которой импульсы на входе регенератора цифрового сигнала удовлетворяют условию Котельникова-Найквиста.

Снижение межсимвольной интерференции также может быть до­стигнуто путем рационального выбора алгоритма канального кодиро­вания (канального кода). При канальном кодировании исходный дво­ичный сигнал, поступающий на вход тракта записи, по определенному алгоритму преобразуется в последовательность импульсов тока записи, обладающую необходимыми свойствами. Однако назначение кодирова­ния не ограничивается задачей уменьшения межсимвольной интерфе­ренции. Более общая цель – согласование характеристик записывае­мого сигнала с характеристиками тракта.

Для уменьшения межсимвольной интерференции желательно при­менять коды с возможно большими интервалами между моментами изменения намагниченности носителя. Записываемая последователь­ность символов, полученная в результате кодирования, также долж­на иметь возможно меньший уровень спектральных НЧ составляющих. При их уменьшении снижается уровень переходных помех, создавае­мых сигналограммами соседних дорожек. Это особенно важно при наклонно-строчной записи, осуществляемой без межстрочных проме­жутков. Уменьшение НЧ составляющих также способствует снижению уровня НЧ межсимвольных искажений, обусловленных уменьшением ко­эффициента передачи канала в области больших длин волн записи из-за дифференцирующего действия индукционных ГВ.

Рис. 13.42 Формы записываемых (а, в) и воспроизводимых (б, г) цифровых сигналов

В тракте желательно применять сигналы с регулярной составляю­щей тактовой частоты. Используя такие сигналы, можно обеспечить стабилизацию частоты сигнала синхронизации, вырабатываемого систе­мой выделения сигнала синхронизации, и тем самым уменьшить поток ошибок в канале.

В процессе воспроизведения наблюдается дрожание фронтов им­пульсов воспроизводимого сигнала. Такой эффект возникает по ряду причин. В их числе шумы и переходные помехи, межсимвольная интер­ференция, колебаний скорости движения носителя. Для правильного восстановления цифрового символа требуется, чтобы интервал дрожа­ния был меньше временного интервала (ширины окна детектирования), в пределах которого регенератор должен принимать решение о воспро­изводимом символе. Поэтому еще одно требование, предъявляемое к канальным кодам (сигналам записи), заключается в наличии возможно большего временного интервала, в пределах которого должно выносить­ся решение о воспроизводимом символе. Кроме требований, указанных выше, к канальным кодам предъявляются и другие требования: мини­мальный коэффициент размножения ошибок, простота кодирования и декодирования сигнала и пр.

Степень соответствия сформированного сигнала указанным требо­ваниям характеризует качество того или иного метода кодирования. Од­ним из важнейших показателей, характеризующим код, является значе­ние кодовой скорости: отношение скорости цифрового потока на выхо­де кодера к скорости потока на его входе. Чем выше кодовая скорость, тем меньше (при прочих равных условиях) затраты полосы частот на передачу одного бита информации. Необходимо отметить, что многие указанные требования противоречивы. Как правило, улучшение одного из показателей достигается за счет других.

Одним из методов кодирования, который используется в цифровых магнитофонах, является метод группового кодирования, обеспечиваю­щий формирование группового кода. При групповом кодировании груп­па из n символов входной цифровой последовательности по определен­ному алгоритму преобразуется в группу из m символов выходной цифро­вой последовательности. При декодировании осуществляется обратное преобразование. При одинаковом основании кодов значение m выби­рается больше, чем n. Поэтому число возможных комбинаций из m символов выходной последовательности оказывается больше числа воз­можных комбинаций из n символов входной последовательности. Бла­годаря этому, выбрав среди всех возможных комбинаций из m символов те из них, которые удовлетворяют предъявляемым к коду требованиям, можно построить соответствующий алгоритм кодирования и сформиро­вать код, наиболее полно удовлетворяющий предъявляемым требовани­ям. Примером группового кода для звукозаписи является код (8,10).

Воспроизведение цифровых сигналов осуществляется в условиях действия различных шумов и помех. Стремление повысить плотность записи путем использования более узких дорожек ведет к уменьшению отношения сигнал/шум в канале воспроизведения. При цифровой запи­си приемлемым считается отношение сигнал/шум в канале около 20 дБ и коэффициент ошибок в канале порядка 10 -5. Для достижения задан­ного значения отношения сигнал/шум в цифровых магнитофонах при­нимают все традиционные меры борьбы с помехами, используются маг­нитные ленты с высокой отдачей.