Общие принципы и особенности магнитной записи телевизионных сигналов

ГЛАВА 18

ЗАПИСЬ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ [5]

Запись видео- и аудиосигналов внесла большие изменения в технологию ТВ вещания. Телевизионные программы или их фрагменты подготавливают заблаговременно, их можно компоновать и монтировать, что позволяет эффективно использовать комплекс ТВ аппаратуры и осуществлять независимо от времени передачи более равномерную его загрузку.

Запись облегчает труд творческих работников, открывает широкие возможности отбора наиболее удачных кадров, фрагментов и сюжетов. Упрощается репетиционная работа, уменьшается вероятность технического брака, исключается элемент случайности. Кроме того, при современной видеозаписи творческие работники могут использовать в передачах различные художественные приемы подачи видеоматериала, спецэффекты, что увеличивает возможности усиления эмоционального воздействия на зрителя.

Запись ТВ и звуковых сигналов на магнитный носитель базируется на одних и тех же принципах, которые основаны на способности ферромагнитных материалов намагничиваться под действием внешнего магнитного поля, создаваемого видео- или аудиосигналом, и сохранять остаточную намагниченность продолжительное время.

В процессе записи при протекании тока сигнала по обмотке записывающего элемента (магнитной головки) в его сердечнике возникает магнитный поток, силовые линии которого создают рабочее поле, пронизывающее магнитный слой носителя (магнитной ленты). При движении магнитной ленты относительно записывающей магнитной головки электрический сигнал, являющийся функцией тока или напряжения от времени, преобразуется в пространственную последовательность намагниченных участков носителя записи. Таким образом, на носителе записывается информация в виде магнитного следа (сигналограммы).

При воспроизведении сигналограммы остаточная намагниченность ферромагнитного носителя создает внешнее магнитное поле. Вследствие перемещения магнитного носителя с записанной на нем сигналограммой относительно головки происходит обратное преобразование магнитного поля участков носителя в переменную ЭДС, которая индуктируется в обмотке вследствие замыкания через сердечник переменного магнитного потока.

Запись и воспроизведение могут осуществляться с помощью одной и той же магнитной головки (рис. 18.1). Магнитная головка представляет собой незамкнутый ферромагнитный сердечник 1 с технологическим зазором 2, обмоткой 3 и рабочим зазором 4. Через обмотку 3 проходит ток сигнала. Часть магнитного потока, выходящего из сердечника головки у рабочего зазора, замыкается через немагнитную основу носителя 6, а основная часть потока пронизывает его ферромагнитный слой 5. Изменения тока в обмотке головки связаны с изменением магнитного потока в сердечнике и остаточной намагниченностью магнитного слоя носителя.

Рис. 18.1. Магнитная головка:

1- магнитопровод; 2 - технологический зазор; 3 - обмотка;

4 - рабочий зазор; 5 - ферромагнитный слой; 6 - основа носителя

К сердечнику головки предъявляются особые требования, как по магнитным характеристикам, так и по механическим свойствам: материал сердечника головки должен иметь малое значение коэрцитивной силы, чтобы остаточная намагниченность сердечника была небольшой; сердечник должен обладать высокой магнитной проницаемостью, т.е. малым магнитным сопротивлением, а также иметь малые частотные потери. Материал сердечника должен допускать точную обработку зазора и рабочих поверхностей и при этом быть износостойким.

Потери электрической энергии в сердечниках головок обусловлены гистерезисными потерями и потерями на вихревые токи. Гистерезисные потери малы, так как объем магнитного материала небольшой. Основные потери определяются вихревыми токами. Для уменьшения потерь магнитные головки изготавливают из материалов с высоким удельным сопротивлением (например, из феррита). Рабочий зазор сердечника образован немагнитной прокладкой, обычно в виде тонкого слоя моноокиси кремния, толщиной около 1 мкм.

Качество записи сигнала в значительной степени зависит от свойств и характеристик магнитного носителя. Если в качестве носителя используется магнитная лента, ее магнитные и механические характеристики должны соответствовать определенному набору требований, определяемых стандартом на данный тип видеозаписи. В процессе эксплуатации лента подвергается значительным механическим нагрузкам, испытывая большое давление, деформацию, поэтому должна удовлетворять высоким прочностным характеристикам. Рабочий магнитный слой должен иметь высокую износо- и термостойкость, обладать большой остаточной намагниченностью для получения высокого отношения сигнал/помеха, большой коэрцитивной силой, чтобы он не размагничивался под действием магнитных полей соседних участков и не испытывал влияния внешних полей на записанную сигналограмму. В технике магнитной видеозаписи применяются двухслойные ленты (см. рис. 18.1), состоящие из рабочего магнитного слоя 5 и основы 6, придающей ленте механическую прочность.

Основа ленты изготавливается из эластичной полиэфирной пленки, отличающейся высокой прочностью на разрыв, износостойкостью и стабильностью характеристик. Толщина основы составляет 8...37 мкм. Рабочий слой состоит из магнитного порошка и связующего материала, который одновременно является лаковым покрытием и обладает кроме высокой износо- и термостойкости еще и гладкостью поверхности. Кроме того, в рабочий слой вводят смазочные вещества, снижающие трение, и астатические добавки. Например, магнитный порошок из гамма-окиси железа имеет игольчатую форму длиной кристалликов не более 0,3...0,5 мкм диаметром примерно 0,03 мкм.

Длина волны записи на магнитном носителе зависит от частоты сигнала записи и скорости движения носителя относительно записывающей головки:

, (18.1)

где – длина волны записи, м; – скорость движения носитель-элемент записи, м/с; f – частота записанного сигнала, Гц.

Легко подсчитать, что для записи мкм на частоте f = 6 МГц требуемая скорость движения магнитной ленты относительно головки должна составлять 6 м/с, или 360 м/мин. Для продольного, как в звуковом магнитофоне, расположения дорожек записи на ленте, такая скорость транспортировки ленты неприемлема.

Скорость движения ленты может быть снижена, как видно из (18.1), если уменьшить минимальную длину волны записи или понизить частоту записываемого сигнала. Минимальную длину волны можно получить уменьшением рабочего зазора магнитной головки а. На практике обычно выполняется условие или . Отсюда . Следует отметить, что для хорошо выполненных головок эффективная ширина щели превышает ее геометрический размер всего на 10...15 %. Поэтому можно считать минимальную длину волны записи равной удвоенной ширине зазора головки. Однако технологически трудно реализовать эффективный рабочий зазор столь малой ширины, а уменьшение частоты записываемого сигнала приводит к снижению качества изображения.

Частотные характеристики записывающего и воспроизводящего устройств ограничиваются в нижней и верхней частях частотного диапазона из-за наличия различных потерь. Основными являются волновые потери, которые зависят от магнитных и механических свойств ленты, электрических и конструктивных параметров головок и определяются параметрами узла лента-головка и длиной волны записанного сигнала. К этим потерям относятся щелевые, слойные, контактные.

Если магнитный слой недостаточно тонок или ухудшается плотность соприкосновения головки с лентой, магнитное поле выходит за пределы рабочего зазора а, значительно увеличивая эффективную ширину щели. Это приводит к ухудшению записи высокочастотных составляющих сигнала. Следовательно, магнитный слой ленты должен быть тонким и очень гладким, так как только в этом случае обеспечивается наилучший механический контакт с рабочей поверхностью головки. Плотность прилегания ленты к плоскости головки зависит также и от материала основы ленты. Ленты с тонкой эластичной основой обеспечивают более плотное прилегание к рабочей поверхности головки, чем ленты с толстой основой.

Качество магнитной записи ТВ сигналов в основном определяется мерами по уменьшению волновых потерь. Созданы ленты с тонким магнитным слоем, с хорошей однородностью магнитного порошка, с гладкой поверхностью и с эластичной основой. Уменьшение щелевых потерь достигается совершенствованием технологии изготовле­ния головок с узкими рабочими зазорами.

Важным параметром магнитной записи является частотная характеристика узла лента-головка. Если на магнитную ленту записан синусоидальный сигнал с круговой частотой . то в идеальной магнитной системе при отсутствии искажений распределение магнитного потока по оси ленты (координата х)

, (18.2)

где – амплитуда магнитного потока; – скорость перемещения ленты относительно головки при записи.

При обратном преобразовании магнитного поля участков носителя ЭДС, которая индуктируется в витках обмотки головки движущейся магнитной лентой, пропорциональна скорости изменения потока , где w – число витков обмотки головки.

Чтобы продифференцировать выражение (18.2), заменим переменные: вместо изменения магнитного потока по координате х введем изменение сигнала по времени t, т.е. , где – скорость перемещения ленты относительно головки при воспроизведении.

При (т.е. скорости записи и воспроизведения одинаковы)

, (18.3)

где Е – ЭДС, наводимая в обмотке головки.

Если скорость движения ленты относительно головки постоянна, то из (18.3) следует, что ЭДС меняется пропорционально частоте сигнала. При увеличении частоты сигнала в два раза, что соответствует ее повышению на одну октаву, ЭДС также возрастает в два раза (на 6 дБ).

На рис. 18.2 показана идеализированная частотная характеристика узла лента-головка (сплошная линия). Это наклонная прямая с крутизной наклона 6 дБ на октаву. Очевидно, что даже при такой идеализированной форме частотной характеристики возникают искажения ТВ сигнала, которые необходимо корректировать в электрических цепях записи и воспроизведения. Реальная частотная характеристика узла лента-головка, показанная на рис. 18.2 штриховой линией, существенно отличается от идеальной на краях частотного диапазона. В нижней части частотного диапазона искажения обусловлены тем, что магнитный поток сигналограммы в области длин волн, превышающих длину контакта рабочей поверхности головки с лентой, не замыкается полностью через сердечник головки. Значительная его часть рассеивается или замыкается через одну половину сердечника, не пересекая обмотку. Чем больше длина волны записи, тем больше сказываются эти потери.

Рис. 18.2. Частотная характеристика ленты-головки

При записи и воспроизведении сигнала высоких частот неравномерность частотной характеристики ленты-головки обусловливается искажениями вследствие соизмеримости ширины щели головки и длины волны записи. При очень малых длинах волн за время прохождения элемента ленты по всему участку магнитного поля записывающей головки сигнал может измениться и даже переменить полярность. Обратная полярность сигнала приведет к некоторому размагничиванию элемента ленты и снижению эффективности записи высокочастотных составляющих сигнала. При различных соотношениях длины волны записываемого сигнала и рабочей ширины щели при воспроизведении в магнитной головке меняется значение магнитного потока, обусловленное изменением намагниченности носителя по длине. Это вызовет резкую неравномерность частотной характеристики с максимумами и минимумами в области высоких частот.

Отношение частот телевизионного сигнала определяет отношение . Если на магнитной ленте записана сигналограмма с длиной волны λ_min= 3 мкм, максимальная длина волны записи при и составит м, что примерно в 100 раз превышает длину рабочей поверхности головки. Для получения достаточного уровня оптимальным является тот сигнал, длина волны которого не превышает длину рабочей поверхности головки. При определенных значениях низкочастотных составляющих сигнала ЭДС воспроизводящей головки ниже уровня шумов Е_ш, поэтому полезный сигнал практически полностью маскируется шумами (см. рис. 18.2).

Профессиональные аудиомагнитофоны обеспечивают запись звуковых сигналов в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, что составляет 10 октав. Телевизионный сигнал занимает полосу частот от 50 Гц до 6,5 МГц. что составляет 17 октав.

Оптимальные режимы записи для сигналов, отличающихся по частоте в 10 раз, существенно различны. Осуществить эффективную запись сигналов в частотном диапазоне, занимающем 17 октав, еще сложнее. Поэтому при записи видеосигнала необходимо уменьшить отношение высшей частоты в спектре записываемого сигнала к низшей, т.е. произвести относительное сжатие спектра. В этом случае условия записи и воспроизведения тем более благоприятны, чем выше степень сжатия. Это объясняется двумя причинами: легче выбрать оптимальный режим намагничивания; при узкополосном сигнале используется относительно меньшая часть АЧХ тракта и, следовательно, АЧХ тракта в пределах полосы пропускания оказывается более равномерной. При этом отношение сигнал/помеха должно оставаться достаточно высоким во всем диапазоне частот.

Относительное сжатие частотного диапазона обеспечивается переносом (транспонированием) спектра записываемого ТВ сигнала в более высокочастотную область. Очевидно, чем дальше вправо по оси частот перенесен спектр сигнала, тем меньше разница между и : т.е. больше относительное сжатие. Однако при этом растет требуемая максимальная частота сигнала записи.

Запись высоких частот представляет собой сложную техническую задачу, поэтому для упрощения и удешевления аппаратуры спектр частот сигнала переносят вверх по оси частот примерно на 1 МГц, что обеспечивает относительное сжатие спектра записываемого сигнала до трех октав.

Транспонировать спектр можно, используя модуляционный метод преобразования. В результате улучшаются условия воспроизведения нижних частот сигнала, сокращается относительный динамический диапазон частот, повышается максимальное значение частоты записываемого сигнала.

Применять амплитудную модуляцию (AM) при записи телевизионных сигналов нецелесообразно несмотря на то, что она позволяет минимально расширить спектр частот (в 2 раза при передаче двух боковых). При AM невозможно устранить паразитную амплитудную модуляцию, возникающую из-за помех. Такими помехами являются: непостоянство контакта лента–головка, неоднородность магнитного слоя ленты, продольные колебания ленты и др.

При использовании частотной модуляции (ЧМ) паразитная AM устраняется глубоким ограничением ЧМ сигнала. Однако обычная ЧМ приводит к значительному увеличению спектра частот выходного сигнала. Если, например, использовать параметры ЧМ, применяемые в радиовещании, спектр частот будет шире в 5...10 раз. Запись на магнитную ленту такого широкого спектра частот – технически сложно реализуемая задача.

При модуляции несущей гармоническим колебанием частотой ЧМ колебание можно представить следующим выражением:

,

где U – амплитуда несущей; – круговая частота несущей; – девиация частоты; – модулирующая частота.

Одним из основных параметров ЧМ является индекс модуляции , где – девиация частоты; F – модулирующая частота.

Как известно, при увеличении М растет помехозащищенность системы, поэтому в радиовещании выбирают . В первом приближении ширина спектра ЧМ сигнала , где – максимальная частота модулирующего сигнала. Следовательно, выбор большого индекса модуляции М приводит к значительному расширению спектра частот. При модуляции сложным сигналом, какими являются звуковой и ТВ сигналы, индекс модуляции – величина переменная. В магнитной записи ТВ сигналов принято использовать узкополосную ЧМ с индексом модуляции М < 1 и низким отношением несущей частоты f₀ к высшей модулирующей частоте . При этом ширина спектра ЧМ сигнала мало отличается от спектра AM сигнала и примерно равна удвоенной ширине спектра модулирующего колебания. Низкое отношение выбирается для уменьшения максимальной частоты спектра записываемого сигнала. Несущая частота применительно к модуляции видеосигналом – понятие, которое трудно определить. В магнитной видеозаписи принято считать частоту ЧМ сигнала, соответствующую мгновенному значению среднего уровня сигнала, несущей частотой .

Как видно из рис. 18.3,а, несущая частота незначительно выше модулирующей частоты . При М = 0,1...0,2 спектр ЧМ сигнала имеет вид рис. 18.3,б. В некоторых профессиональных устройствах магнитной записи, где требуется высокое качество воспроизведения, используются обе боковые полосы ЧМ сигнала, а в бытовых – нижняя и частично подавленная верхняя боковая (рис. 18.3,в). Это приводит к дополнительным искажениям, которые считаются допустимыми для данного класса устройств.

Таким образом, используемая в магнитной видеозаписи частотная модуляция отличается от обычных систем ЧМ двумя основными особенностями:

1) несущая частота незначительно превышает верхнюю модулирующую частоту;

2) индекс модуляции значительно меньше, чем в других системах с ЧМ.

Для обеспечения обмена программами частоты, соответствующие определенным уровням ТВ сигнала, стандартизованы. Это нормирование частоты ЧМ сигнала называется расстановкой частот.

Рис. 18.3. Идеализированные спектры ТВ и ЧМ сигналов		Рис. 18.4. Преобразование ТВ сигнала в ЧМ сигнал и его запись
	А – участок изображения по строке (черно-белый переход); б – осциллограмма видеосигнала; в – осциллограмма ЧМ сигнала; г – результат действия магнитного поля головки

Рассмотрим преобразование ТВ сигнала в ЧМ сигнал и его запись на магнитную ленту (рис. 18.4). Объект передачи (рис. 18.4,а), состоящий из протяженных черного и белого участков, преобразуется в ТВ сигнал .Далее сигналом модулируется генератор, на выходе которого получается ЧМ сигнал , который подается на записывающие головки; и – периоды ЧМ колебаний, соответствующие передаче уровней черного и белого. В результате воздействия магнитного поля головки на ленту она намагничивается, и остаточная намагниченность может быть представлена в виде элементарных магнитов, расположенных по длине ленты (рис. 18.4,г). Магнитная индукция для черного и белого участков одинакова – материал доведен до насыщения. Информация отразилась на ленте в линейной плотности переходов (нулей) намагниченности.