13.14. Особенности помехоустойчивого кодирования в цифровых магнитофонах

Ошибки при записи-воспроизведении цифровых сигналов можно разделить на две большие группы. К первой относятся одиночные ошибки, причинами, появления которых являются, в частности, шумы ленты и элементов схемы, наводки, переход­ные помехи и межсимвольная интерференция, колебания скорости движения носи­теля. Ко второй группе относятся ошибки, возникающие в результате значительных уменьшений уровня воспроизводимого сигнала, называемых выпадениями сигнала. Выпадения обусловлены дефектами рабочего слоя носителя, они появляются из-за увеличения неконтакта при попадании в пространство между головкой и магнитной лентой частиц пыли. В результате выпадений появляются пакеты ошибок протя­женностью от нескольких десятков до тысяч и более бит. Группирование ошибок – характерная особенность цифровой магнитной записи.

Для уменьшения влияния пакетов ошибок на качество записи-воспроизведения ЗС используют запись с перемежением отсчетов цифрового сигнала или помехоустойчивое каскадное кодирование, являющееся эффективным средством борьбы с такими ошибками. Для того чтобы можно было обнаружить и исправить ошиб­ки даже в самых неблагоприятных ситуациях, корректирующая способность кодов для обнаружения и исправления ошибок выбирается с большим запасом (с избы­точностью 30 % и более).

В цифровых магнитофонах записываемый поток имеет блочную структуру. Это необходимо для выравнивания цифровых потоков, воспроизводимых с разных до­рожек при параллельной многодорожечной записи, восстановления временного мас­штаба в магнитофонах с наклонно-строчной записью, записи и воспроизведения слу­жебной информации. Такая организация (формат) записи требует применения по­мехоустойчивых кодов блочной структуры.

Блочный (m, k) помехоустойчивый код характеризуется блоками (кодовыми словами) длиной по m символов, каждый из которых содержит k информацион­ных и r = m – k; проверочный символов. Проверочные символы формируются по алгоритмам, определяемым типом кода. В цифровых магнитофонах широко исполь­зуются коды Рида-Соломона, относящиеся к группе совершенных помехоустойчивых кодов. При наличии в кодовом слове 2t проверочных символов с помощью совер­шенного кода можно обнаружить 2t и исправить t ошибок. Другие коды облада­ют меньшей эффективностью.

На различных ступенях каскадного кодирования и в цифровых магнитофонах разных стандартов конечные поля, над которыми строятся коды, могут иметь раз­ный размер. Обычно при построении кода применяют конечные поля (поля Галуа) GF(2), GР(2⁸) и GF(2¹⁶), в которых один символ помехоустойчивого кода образует соответственно 1, 8 или 16 бит. На практике, например, применяют такие сочетания внутреннего С1 и внешнего С2 кодов: С1(29,27) и С2(40,32) или С1(32,28)и С2(32,26) при кодировании над полями GF(2⁸); С1(344,328) при кодировании над полем GF(2) и С2(16,12) при кодировании над полем GF(2⁸).

При двухуровневом каскадном кодировании каждый информационный символ участвует в кодировании дважды: при формировании проверочных символов вну­треннего и внешнего кодов. Это имеет существенное значение для обнаружения и исправления ошибок. При декодировании каскадного кода проверку на наличие ошибок тоже осуществляют дважды: по кодовым словам внутреннего и по кодовым словам внешнего кода. Поэтому если при проверке на наличие ошибок, например, кодового слова внутреннего кода ошибка не обнаружена и не исправлена, то это осуществится при анализе внешнего кода (и наоборот). Если же ошибка исправлена одним, на­пример, внутренним кодом, то нет необходимости в ее коррекции другим, внешним кодом. Корректирующая способность внешнего кода в данном случае может быть использована для обнаружения и исправления других ошибок.

В разных цифровых магнитофонах применяют различные алгоритмы (страте­гии) декодирования кодов. Стратегия декодирования выбирается с учетом назна­чения и области применения магнитофона, характеристик канала записи-воспроиз­ведения. Сложность алгоритма декодирования определяет степень использования корректирующих возможностей помехоустойчивых кодов. Для более эффективных алгоритмов декодирования требуются большие вычислительные ресурсы и необходи­мо большее время на проведение вычислений. Однако при любом алгоритме деко­дирования, как правило, стремятся минимизировать число необнаруженных ошибок. Дело в том, что даже если ошибка не исправлена, а только обнаружена, символ ко­дового слова с ошибками может быть отмечен флагом стирания. Флаг стирания указывает на факт появления ошибки, причем местоположение ошибочного символа оказывается известным. В этом случае корректирующую способность внешнего кода можно использовать для исправления большего числа ошибок.

Если корректирующей способности кода при используемом алгоритме декоди­рования оказывается недостаточно для исправления ошибки, происходит отказ от декодирования соответствующего символа внешнего кода и ошибочный символ кодового слова помечается флагом стирания. После этого производится операция мас­кирования ошибки, например путем интерполяции.

Для повышения эффективности помехоустойчивое кодирование сопровождает­ся перемежением символов и блоков. При цифровой магнитной записи применяются регулярные алгоритмы перемежения. В результате перемежения формируется поток следующих друг за другом символов (слов, блоков), которые в исходном цифровом потоке разделены определенным временным интервалом. Данный интервал называ­ется интервалом перемежения. Например, интервалу перемежения в два символа соответствует последовательность символов с номерами 0, 1, 4, 6,.... При интер­вале перемежения четыре символа формируется последовательность 0, 4, 8, 12,... . После последнего символа в блоке передается последовательность символов с номе­рами на единицу больше и т.д. Благодаря перемежению символы, относящиеся к различным кодовым словам, удается записать на разных участках ленты. В резуль­тате резко уменьшается вероятность поражения ошибками всего кодового слова. При воспроизведении осуществляется деперемежение, т.е. обратная операция.

Кроме рассмотренного способа перемежения применяются другие подходы. На­пример, при наклонно-строчной записи в стандарте DAT (Digital Audio Tape) на одной дорожке сначала записываются четные отсчеты сигнала левого, а потом нечетные отсчеты сигнала правого канала стереопары. В начале следующей дорожки распо­лагаются четные отсчеты сигнала правого, а затем нечетные отсчеты сигнала левого канала. Благодаря этому ЗС можно теоретически восстановить даже при полном пропадании или поражении цифрового сигнала ошибками на одной из дорожек либо при повреждении ленты на половине длины дорожек записи.

Соответствующие решения используют и при параллельной многодорожечной записи. Так, в магнитофонах стандарта DASH (Digital Audio Stationary Head) чет­ные и нечетные отсчеты сигнала на одной дорожке оказываются разнесенными на расстояние около 40 мм.

Совместное использование метода перемежения и каскадного кодирования обес­печивает чрезвычайно высокую степень защиты от ошибок. Так, в магнитофонах стандарта R-DAT (Rotary Read DAT) при частоте ошибок в канале 10~2 вероятность необнаруженной ошибки, которая не может быть скорректирована в интерполяторе, составляет порядка 10~17 и возможна полная коррекция ошибок при повреждении участка носителя длиной около 2,5 мм. В профессиональных цифровых магнито­фонах с продольной многодорожечной записью с помощью каскадного кодирования, перемежения и маскирования ошибок можно восстановить сигнал даже после склей­ки ленты в процессе механического монтажа.