Методы магнитной записи телевизионных сигналов

Общие сведения. Наиболее распространенным в настоящее время является метод наклонно-строчной магнитной записи телевизионных сигналов на магнитную ленту блоком вращающихся магнитных головок, обеспечивающий высокую скорость перемещения ленты относительно записывающей (воспроизводящей) головки. Видеомагнитофоны - устройства, обеспечивающие запись телевизионных сигналов на магнитную ленту и воспроизведение телевизионных изображений, – могут строиться по различным схемам, в зависимости от назначения. Современный видеомагнитофон представляет собой сочетание сложного механического и электронного устройств. В него входят: механизмы транспортировки ленты и вращения головок, которые работают одновременно и синхронно, что обеспечивается различными по принципу действия следящими системами: блоки преобразования и обработки широкополосного видеосигнала, устройства различных видов коррекции и устранения влияния помех на технику магнитной записи обеспечивает запись-воспроизведение сигналов с длиной волны мкм и менее. Для записи телевизионного сигнала с высшей частотой =6 МГц потребуется скорость записи 6 м/с. Транспортировка магнитной ленты с такой скоростью при продольном, как в аудиомагнитофоне. расположении дорожек записи нецелесообразна из-за сложности реализации, нерационального использования площади пленки (низка плотность записи) и большого расхода ленты.

Решающим шагом в развитии техники магнитной записи телевизионных сигналов явилось создание аппаратуры, использующей методы поперечно-строчной и наклонно-строчной записи. При этом и запись, и воспроизведение осуществляются головками, которые располагаются на вращающемся диске. Следовательно, скорость перемещения ленты-головки определяется геометрической суммой окружной линейной скорости вращения головки и скорости поступательного движения ленты : , а колебания относительной скорости определяются как сумма двух составляющих колебаний скорости:

(18.4)

где – угол наклона строчки записи, или угол между векторами скорости и .

Первоначально при поперечно-строчной записи использовался блок видеоголовок (БВГ) с четырьмя магнитными головками. В настоящее время при повсеместном использовании принципа наклонно-строчной записи БВГ могут содержать две, четыре, шесть (а в цифровых видеомагнитофонах и большее число) вращающихся головок. Название метода записи – «поперечно-строчный» или «наклонно-строчный» – определяется расположением магнитных строчек на ленте. Если строчки записи располагаются почти перпендикулярно основанию ленты, запись называется поперечно-строчной, если же строчки записи образуют с нижним краем ленты небольшой угол, запись называется наклонно-строчной. Принцип поперечно-строчной и наклонно-строчной записи показан на рис. 18.7.

В устройствах с поперечно-строчной записью (рис. 18.7,а) плоскость ленты 2 перпендикулярна вращающемуся диску 4 с четырьмя головками 3. В том месте, где головки соприкасаются с поверхностью ленты, она изгибается с помощью вакуумной направляющей камеры 1.

Соприкасаясь с лентой и передвигаясь в поперечном направлении относительно нее, головка оставляет магнитный след в виде вертикальной магнитной строчки. Так как лента движется в продольном направлении, то следующая головка приходит в контакт с ней на некотором расстоянии от предыдущей магнитной строчки, образуя таким образом последовательность магнитных строчек, расположенных под углом 90°33' относительно края ленты.

Аппаратура наклонно-строчной записи (рис. 18.7,б) с двумя вращающимися головками содержит направляющий барабан 6, состоящий из двух частей, между которыми вращается диск с головками 3. Головки выступают над поверхностью барабана и записывают строчки на ленте. Головки сдвинуты относительно друг друга на 180°. Лента может охватывать барабан на угол 360° ( -петля, рис. 18.7,б) и меньше 360° ( -петля, рис. 18.7,в). В результате того, что диск с головкой вращается в горизонтальной плоскости, а лента охватывает направляющий барабан по спирали (лента входит в контакт с направляющим барабаном на одном уровне, а выходит на другом), сигналограмма на магнитной ленте 5 записывается наклонно к краю ленты.

На магнитной ленте кроме сигналов изображения записываются еще и сигналы звукового сопровождения, сигналы управления и режиссерских указаний. В видеомагнитофонах разных стандартов эти сигналы записываются различными методами и в различных местах ленты.

Рис. 18.7. Методы записи сигнала на магнитную ленту:

а – поперечно-строчная; б-в – наклонно-строчная

Однозначно определить метод записи и расположения дорожек на магнитной ленте позволяет формат записи, который регламентирует упорядоченное расположение на поверхности ленты строчек и дорожек, намагниченных под действием разнообразных сигналов.

Описание формата и его параметров позволяет понять, каким образом производится запись или воспроизведение информации. Стандартизация параметров записи обеспечивает взаимозаменяемость записей, изготовленных различными фирмами, и делает возможным их воспроизведение на различных видеомагнитофонах данного формата. Это позволяет осуществлять обмен телевизионными программами.

За время развития магнитной видеозаписи было разработано большое количество разнообразных аналоговых и цифровых форматов. Метод поперечно-строчной магнитной записи (формат Q) устарел и в настоящее время практически не применяется из-за сложности и громоздкости аппаратуры. Ему на смену пришли новые наклонно-строчные форматы на ленте различной ширины (25,4; 19,01; 12,65; 8,0; 6,35 мм).

Принцип действия наклонно-строчной записи для одноголовочного видеомагнитофона с -петлей иллюстрируется рис. 18.7,б. Поверхность неподвижного барабана облегает по спирали равномерно движущаяся магнитная лента шириной 25,4 мм. Смещение ленты по образующей барабана не меньше ширины ленты. Во избежание чрезмерных поперечных усилий на ленту и для придания ей естественного положения направляющий барабан несколько наклонен, а подающая и приемная бобины устанавливаются на разных высотах. Барабан состоит из двух частей – верхней и нижней. В зазоре между ними расположен вращающийся диск с магнитной головкой. Двигатель внутри барабана вращает выступающую над поверхностью барабана магнитную головку с частотой 3000 об/мин (число оборотов связано с числом полей) и прочерчивает на ленте прилегающие друг к другу наклонные дорожки длиной около 400 мм под углом 3...5⁰ относительно края ленты. За один оборот диска с головкой на магнитной ленте записывается один полукадр. При этом относительная скорость достигает 40 м/с, а скорость движения ленты около 40 см/с.

Звуковой и контрольный сигналы записываются на краях магнитной ленты. Перекрытие дорожки ТВ сигнала дорожками звукового и контрольного сигналов не приводит к взаимным искажениям, так как края ленты, где записываются звуковой и контрольный сигналы, соответствуют месту записи кадрового гасящего импульса, т.е. обратному ходу по кадрам. Проникновение же ТВ сигнала в канал звука исключается из-за различной полосы частот этих сигналов и различного углового расположения зазоров магнитных дорожек. Благодаря этим обстоятельствам взаимное влияние сигналов значительно ослаблено.

Переход головки от одного края ленты к другому приводит к провалу в записи. При использовании одной головки неизбежно часть информации, достигающая во времени 40...50 мкс, теряется. Чтобы исключить искажения от этих явлений, время перехода головки обычно совмещают с длительностью кадрового гасящего импульса.

Рис. 18.8. Формат записи С (ширина ленты 25,4 мм)

При этом потерянные импульсы восстанавливаются с помощью специального регенератора.

Аналогичен принцип действия одноголовочного видеомагнитофона с -петлей (см. рис. 18.7,в): магнитная лента облегает барабан по спирали на угол меньше 360°. Нижний край ленты, покидающий барабан, располагается несколько ниже верхнего края ленты, поступающей на него. Обычно угол охвата барабана лентой не превышает 350°. Это приводит к выпадению сигнала при переходе видеоголовки с одного края ленты на другой. Углу 10° соответствует выпадение примерно восьми строк (около 500 мкс). Восстановление потерянных строк, приходящихся на первый гасящий импульс, осуществляется аналогично описанному выше.

Видеомагнитофон наклонно-строчной записи с двумя вращающимися головками с -петлей устроен так же, как и одноголовочный, но на вращающемся диске размещаются две магнитные головки, а угол охвата барабана лентой составляет несколько больше 180°, образуя неполный виток спирали.

На одной магнитной дорожке записывается одно ТВ поле, поэтому частота вращения диска с головками для стандарта 50 полей в секунду должна быть 1500 об/мин. Так как угол охвата больше чем 180°, информация на смежных магнитных дорожках записывается с взаимным перекрытием, а воспроизводится непрерывно, без потерь.

При записи по формату С применялся одноголовочный, или так называемый «полутораголовочный» способ записи. Видеомагнитофоны, использующие формат С, записывали сигнал на ленту шириной 25,4 мм. Применялись такие видеомагнитофоны, разработанные фирмами Атрех (США) и Sony (Япония), на телецентрах, в том числе и в России («Кадр-103»).

На рис. 18.8 изображен формат записи С одноголовочных и полутораголовочных видеомагнитофонов. Магнитные дорожки 1 и 2 являются дорожками звукового канала: дорожка 3 – каналом управления (на ней записываются управляющие и монтажные импульсы): дорожка 4 – дополнительная дорожка звукового канала, если на ней не записываются сигналы кадровой синхронизации (показано на рисунке), которые выпали из видеосигнала в результате перерыва в записи.

Рис. 18.9. Схема расположения голо­вок на барабане (формат записи С):

1-6 – головки; угол = 30°; угол = 120°.

Одна вращающаяся видеоголовка записывает наклонную строчку (угол 2°33') длиной 411,5 мм, на которой размещается активная часть поля и большая часть гасящего кадрового импульса. Остальная часть кадрового гасящего импульса (10,5 ТВ строк) записывается на коротких наклонных строчках второй вращающейся головкой (синхроголовкой).

В одноголовочной системе записи часть видеосигнала (кадровые синхронизирующие импульсы) пропадает, так как переход от верхнего края ленты к нижнему не происходит мгновенно, а требует определенного времени. Часть потерянного сигнала восстанавливается электронным способом. Во время перехода головки от одного края к другому генерируются кадровые синхронизирующие импульсы, которые замешиваются с сигналом, воспроизводимым с ленты.

Барабан диаметром 135 мм вращается с частотой 3000 об/мин. На этом барабане располагаются шесть головок, из них одна – головка записи-воспроизведения и пять вспомогательных. На рис. 18.9 показана схема расположения головок на барабане в полутораголовочном видеомагнитофоне: 1 – головка за.писи-воспроизведения ТВ сигнала, 2 – головка записи-воспроизведения кадрового синхроимпульса. Если работа производится в режиме одноголовочного видеомагнитофона, то этой головки может и не быть. Тогда на ленте вместо кадровых синхронизирующих импульсов располагается дополнительная звуковая дорожка. Головки 5 и 6 контрольного воспроизведения видеосигнала и синхросигнала позволяют мгновенно воспроизводить запись и контролировать качество изображения. Головки 3 и 4 – стирающие – обеспечивают стирание строчек записи ТВ сигнала и синхросигнала в режиме монтажа.

Видеомагнитофоны с наклонно-строчной записью имеют более высокую плотность записи, чем с поперечно-строчной; кроме того, они свободны от присущих четырехголовочным видеомагнитофонам формата Q искажений, вызываемых сегментным способом записи и коммутацией головок в активной части поля, что приводит к «полосатости» изображения из-за неидентичности характеристик вращающихся магнитных головок.

Основной недостаток видеомагнитофонов формата С – большая длина магнитной строчки наклонно-строчной записи. Такие видеомагнитофоны чрезвычайно чувствительны к поперечным колебаниям ленты, неравномерности ее натяжения по ширине и значительной деформации, вследствие трения о поверхность цилиндра. Неравномерность движения ленты влияет на расстояние между магнитными строчками записи. В результате понижается точность следования головок по магнитным строчкам при воспроизведении, что приводит к ухудшению отношения сигнал/помеха и к перекрестным искажениям сигнала. Для устранения этих недостатков применяются специальные меры.

Уменьшить перекрестные искажения между соседними магнитными дорожками при существующих параметрах записи можно определенным расположением магнитных строчек. Как известно, перекрестные искажения ЧМ сигналов пропорциональны разности частот полезного и мешающего сигналов. Чем меньше разность между частотами, тем меньше воздействие соседней мешающей строчки. Оптимально такое расположение двух смежных магнитных дорожек, при котором синхронизирующие импульсы строк перпендикулярны оси магнитной дорожки на одной линии (рис. 18.10,а). Это достигается выбором скорости движения магнитной ленты и соответствующим подбором диаметра направляющего барабана, обеспечивающим позиционное расположение записанных на магнитной ленте строчных синхронизирующих импульсов по линиям, близким к перпендикулярным направлениям дорожек записи. При таком расположении строчек на магнитной ленте сигналы, записанные рядом на соседних дорожках, имеют большую корреляцию. Следовательно, разностная частота между идентичными точками на соседних строчках минимальна и мешающее действие помехи незначительно. Кроме этого, частичный переход головки с данной магнитной дорожки на соседнюю не приводит к сбою синхронизации. Этот метод получил название строчной или Н-корреляции.

Следующим мероприятием, позволяющим снизить взаимные помехи от соседних магнитных дорожек, является использование специальной системы автоматического слежения за положением головки на записанной дорожке (автотрекинг). Для этого головка устанавливается на пьезокерамический элемент, на который подается сигнал управления, перемещающий головку по ширине ленты в некоторых пределах.

Одним из основных преимуществ наклонно-строчной записи является возможность замедленного воспроизведения или остановки кадра (стоп-кадр). Многократное воспроизведение одного и того же поля, записанного на одной и той же магнитной дорожке, дает эффект замедления или остановки темпа движения изображения. Это достигается замедлением движения или остановкой ленты при сохранении частоты вращения видеоголовок.

Рис. 18.10. Строчные импульсы на соседних дорожках:

а – оптимальное положение; б – пунктиром показана траектория движения магнитной строчки при неподвижной ленте

(1 – дорожка записи звука; 2 – строчка записи ТВ сигнала; 3 – дорожка записи управляющего сигнала)

Однако следует учитывать, что при замедлении или остановке движения ленты угол наклона траектории движения головки по ленте несколько изменяется и вследствие этого траектории, по которым движется головка по ленте, имеют несколько большую протяженность. На рис. 18.10,б сплошными линиями показаны магнитные дорожки при движении ленты, а штриховыми – траектория головки при остановленной ленте.

Длина магнитной дорожки может быть уменьшена записью на ней не целого ТВ поля, а части его. Стремление сохранить преимущества и устранить недостатки наклонно-строчной записи привело к разработке промежуточного этапа записи – наклонно-строчной записи части поля двумя головками. Такой метод получил название сегментного. Это позволило при записи двумя головками уменьшить длину магнитной дорожки и размеры диска с головками пропорционально числу сегментов. При этом следует увеличить число оборотов диска также пропорционально числу сегментов.

В видеомагнитофонах с сегментной записью (формата В) угол охвата лентой барабана с двумя вращающимися головками несколько больше 180°. Диск с двумя головками вращается с частотой 9000 об/мин. Метод увеличения частоты вращения диска с головками по сравнению с аналогичным методом наклонно-строчной записи приводит к уменьшению длины магнитной дорожки в шесть раз, а также к разбивке телевизионного поля на шесть сегментов. Из этого следует, что при стандарте 625 строк/50 полей на одной магнитной дорожке записываются 52 телевизионные строки. Относительная скорость перемещения лента-головка в сегментных видеомагнитофонах колеблется от 24 до 38 м/с, а скорость движения ленты – от 20 до 25 см/с. Магнитная дорожка имеет длину 60...85 мм и записывается под углом 14...19° к базовому краю ленты, в зависимости от параметров записи и ширины магнитного носителя. Сигналы звукового сопровождения и управления записываются по краям ленты.

Рис. 18.11. Формат записи В (ширина ленты 25,4 мм)

Магнитная дорожка имеет длину 60...85 мм и записывается под углом 14...19° к базовому краю ленты, в зависимости от параметров записи и ширины магнитного носителя. Сигналы звукового сопровождения и управления записываются по краям ленты.

Видеомагнитофоны, использующие формат В (с сегментной записью), разработаны фирмой Bosch. На диске располагаются две универсальные головки записи-воспроизведения под углом 180° и две стирающие головки, которые используются при электронном монтаже программ. Формат В предусматривает запись двух дорожек с звуковым сопровождением 1 и 3 (рис. 18.11). Дорожка 2 предусмотрена для записи сигналов управления и монтажных импульсов, а дорожка 4 – для записи режиссерских указаний или временного кода. На всей длине дорожки записи сигналов изображения 85,13 мм размещается сигнал 56 телевизионных строк, т.е. имеется перекрытие в записи около 4 строк (по номиналу должно быть 52 строки). Это позволяет записать полное ТВ поле вместе с кадровым импульсом и своевременно произвести переключение головок. Одна ТВ строка размещается на 1,52 мм длины магнитной дорожки. Площадь ленты, занимаемая одним полем, в данной системе равна 102,1 мм². Недостатком сегментного метода записи является возможность появления полос на изображении, аналогично записи на четырехголовочном видеомагнитофоне формата Q, из-за неидентичности характеристик магнитных головок. Сегментные видеомагнитофоны не могут обеспечить ускоренное или замедленное воспроизведение изображения или режим «стоп-кадр» без использования блока памяти на один кадр.

Рассмотренные видеомагнитофоны аналоговых форматов записывали полный цветовой композитный сигнал. Видеомагнитофоны форматов Betacam, Betacam SP (Superior Performance – повышенное качество, рис. 18.12), которые до сих пор широко применяются в профессиональном видеопроизводстве (на телецентрах, в видеостудиях), используют для записи компонентный сигнал. В отличие от композитного сигнала, формируемого в совместимых системах цветного телевидения SECAM, PAL, NTSC, компонентный сигнал имеет существенное преимущество, заключающееся в отсутствии перекрестных искажений цветность-яркость и яркость-цветность, так как сигналы цветности и яркости передаются не в общей полосе частот, а раздельно. Композитный сигнал подвержен значительным перекрестным искажениям сигналов.

Рис. 18.12. Видеомагнитофон Betacam SP

В видеомагнитофонах форматов Betacam, Betacam SP яркостный и цветоразностные сигналы записываются раздельно, двумя головками на двух магнитных дорожках (рис. 18.13,а). По краям ленты сверху записываются дорожки звукового сопровождения 1, 2, а внизу – дорожки управления 4 и временного кода 5. В средней части ленты наклонными магнитными дорожками записываются яркостный и цветоразностные сигналы. Ширина видеодорожек равна 0,08 мм, по длине записывается одно поле ТВ изображения. Две продольные звуковые дорожки имеют ширину 0,6 мм. Нижние продольные дорожки – одна управления шириной 0,4 мм, другая – дорожка временного кода шириной 0,5 мм, используются для монтажа ТВ программ. Магнитная лента размещается в кассете, ширина ленты 12,7 мм. Скорость движения ленты 10,15 см/с. Расположение видео и стирающих головок на барабане видеомагнитофона показано на рис. 18.13,б. Как видно из рисунка, головки записи смещены на угол 6,76°.

Цветоразностные сигналы записываются на магнитную ленту последовательно, с временным уплотнением. Принцип временного уплотнения цветоразностных сигналов показан на рис. 18.14. Для примера взят сигнал генератора цветных полос. Как видно из рисунка, яркостный сигнал занимает полный период строчной развертки , а цветоразностные сигналы и – по половине периода строчной развертки. Для пояснения процесса записи и воспроизведения компонентного сигнала обратимся к рис. 18.15,а и б. На этом рисунке показано положение сигнала яркости и цветоразностных , сигналов до уплотнения и цветоразностных сигналов после задержки на длительность одной строки и временного уплотнения в процессе записи. Для записи цветоразностных сигналов с временным уплотнением необходимо эти сигналы, как показано на рис. 18.15,а, задержать на длительность строки, а затем провести уплотнение их во времени. При воспроизведении (рис. 18.15,б) необходимо еще раз задержать на длительность строки цветоразностные сигналы, чтобы затем можно было совместить их по времени с яркостным сигналом. Следовательно, общее время задержки цветоразностных сигналов относительно сигнала яркости составит длительность двух строк. Для компенсации времени задержки необходимо использовать линию задержки в канале Y на две строки, которая обеспечивает достаточно высокую (±10 нс) точность временного положения сигналов яркости и цветности после уплотнения и восстановления.

Рис. 18.13. Формат записи системы Betacam (а) и расположение головок на барабане (б)

Рис. 18.14. Временное уплотнение R–Y, В–Y (сигнал генератора цветных полос)

Рис. 18.15. Временные диаграммы компонентной записи (а)

и временные диаграммы при воспроизведении компонентных сигналов (б);

частотная характеристика формата Betacam SP (в).

Раздельная запись сигналов яркости и цветности и временное уплотнение цветоразностных сигналов полностью устраняют перекрестные искажения между сигналами и позволяют обеспечить полосу частот каждого из цветоразностных сигналов 1,5 МГц (в некоторых образцах и больше) – в два раза шире, чем в бытовой видеозаписи.

На рис. 18.15,в для примера показаны частотные характеристики видеомагнитофона формата Betacam SP-2000 PRO. Видеомагнитофон записывает и воспроизводит сигнал яркости в полосе частот 5,5 МГц, а цветоразностные сигналы – в полосе 1,5 МГц. В отличие от базовой модели Betacam видеомагнитофоны формата Betacam-SP характерны тем, что в базовом Betacam девиация частоты составляет 4,4 МГц для вершины синхроимпульсов и 6,4 МГц для пика белого, а для Betacam-SP, от 5,7 до 7,7 МГц соответственно, а в последних моделях – от 6,8 до 8,8 МГц. Ширина дорожек на видеоленте осталась неизменной. Частотные диапазоны видеосигналов для улучшения качества записи и воспроизведения увеличены, но не настолько, чтобы исключить возможность совместимости. Форматы Betacam и Betacam-SP совместимы «вниз», т.е. видеомагнитофоны Betacam-SP могут читать и воспроизводить видеокассеты формата Betacam.

На рис. 18.16,а изображена укрупненная струкbaza6/631419965573.files/image174.gif" /> поступают в устройство временного уплотнения 1. В этом устройстве каждый сигнал записывается в блоке оперативной памяти за 64 мкс. Во время следующих 64 мкс сигнал, записанный в блоке памяти, считывается с удвоенной скоростью. Через смеситель 2 эти сигналы поступают на модулятор 3 и усилитель записи 4 и на видеоголовки 5. Сигнал яркости поступает на смеситель 6, куда вводятся сигналы синхронизации от синхрогенератора 7. Далее яркостный сигнал после модуляции в модуляторе 8 поступает на усилители записи 9 и видеоголовки 10.

Укрупненная структурная схема воспроизводящего узла системы Betacam показана на рис. 18.16,б. С двух видеоголовок, воспроизводящих сигналы яркости, и двух головок, воспроизводящих цветоразностные сигналы 1 подаются на соответствующие усилители воспроизведения 2, а потом на демодуляторы 3. После демодуляции сигналы поступают на селекторы сигналов 4 и генераторы тактовых импульсов 5, а затем на устройство 6, где они фазируются, а сигналы цветности расширяются во времени в 2 раза и подаются на выход компонентных сигналов , и .Для получения композитного сигнала цветоразностные сигналы и подаются на кодирующее устройство 8 и смешиваются с сигналом яркости в смесителе 7. Для синхронизации с внешним источником контрольный видеосигнал поступает на синхрогенератор 9,который вырабатывает необходимые импульсы для синхронной работы видеомагнитофона.

Широко распространена аппаратура видеожурналистики (ВЖ), представляющая собой моноблок, где конструктивно объединены портативная телевизионная камера и кассетный видеомагнитофон с автономным электропитанием. Такие моноблочные комплексы называются видеокамерами, а в иностранной литературе – камкордерами. Они позволяют вести съемку одному оператору, оперативно перемещаясь, не ограничивая себя длиной кабеля, соединяющего телевизионную камеру с аппаратурой. Иногда портативный видеомагнитофон вынесен в отдельный блок. Тогда он соединен с камерой кабелем.

Рис. 18.16. Укрупненная схема узла обработки и записи системы Betacam (а) и укрупненная схема воспроизводящего узла системы Betacam (б)

В настоящее время разработано большое число различных камкордеров, выпускаемых множеством фирм. Разработчики видеооборудования создают мобильные видеосистемы, в которые кроме видеокамеры входят также записывающие и воспроизводящие видеомагнитофоны, пульты электронного монтажа видеофонограмм и адаптеры для совместимой работы видеокамер с существующим оборудованием видеостудии или телецентра, использующего другие форматы записи. Мобильные видеосистемы и широкая номенклатура видеокамер существенно расширяют технологические возможности использования оборудования различных форматов видеозаписи для видеожурналистики, а также для подготовки репортажей, студийных и внестудийных ТВ передач.