Формат R-DAT

Теперь рассмотрим цифровой носитель другого типа — магнитную ленту и аппарат на ее основе — магнитофон системы R-DAT.

Как и дисковые носители, магнитная лента является одним из источников появления искажений в считанном сигнале. Однако, причины их появления в этом случае будут несколько иные. Тем более что считывание здесь уже контактное — в отличие от диска.

Источником коротких случайных ошибок являются шумы самой магнитной ленты, считывающих головок (их в системе R-DAT, как правило, две), усилителей воспроизведения и перекрестные помехи с соседних дорожек, которые в DAT-формате вплотную примыкают друг к другу (см. рисунок 2.61). Причем полюса головок в полтора раза шире дорожек и при считывании захватывают не только основную дорожку, но и края соседних.

Такой способ записи применен в R-DAT для экономии расхода ленты. Основан он на использовании головок с разными углами наклона зазоров (см. рисунок 2.62). Зазор одной из головок (А) выполнен под углом 20° относительно перпендикуляра к направлению ее движения в одну сторону, а зазор другой головки (В) — под таким же углом наклона в другую сторону. Этот прием, с учетом двоичного характера информации, позволил записывать и считывать посредством головки с шириной полюса 20.41 мкм дорожку шириной всего 13.591 мкм.

Рисунок 2.61 Расположение считывающей головки относительно дорожки при воспроизведении информации с DAT-ленты.

Рисунок 2.62 Запись информации на DAT-ленту с помощью головок с разными углами наклона зазоров.

При записи полюс каждой головки захватывает часть дорожки, записанной полюсом предыдущей головки — как бы накладываясь на нее.

При воспроизведении системы автотрекинга поддерживают режим следования каждой головкой по дорожке, записанной со своим углом наклона зазора.

За счет того, что соседние дорожки содержат информацию, записанную головкой с противоположным углом наклона зазора, перекрестные помехи от них ослабляются так называемым эффектом гребенчатого фильтра и не превышают уровня шумов, обусловленных носителем, головкой и усилителем.

Рисунок 2.63 Дефект магнитного слоя ленты

Рисунок 2.64 Эффект палатки, возникающей при попадании пылинки между барабаном и магнитной лентой.

Зато при этом снижаются требования к точности отслеживания дорожек. Если головка смещается в одну сторону от центра считываемой дорожки, то повышение уровня перекрестных помех от одной из соседних дорожек компенсируется соответствующим снижением уровня таких же помех от другой соседней дорожки.

Но, тем не менее, определенная вероятность того, что совокупный шумовой выброс может превысить порог срабатывания логического анализатора, все же существует. Поэтому ошибки неизбежны.

Более длительные искажения (пакеты ошибок) могут возникать из-за дефектов магнитного слоя ленты (рисунок 2.63), загрязнения зазоров головок и сбоев систем автотрекинга. Кроме того, достаточно длинные выпадения возможны из-за попадания между головкой и лентой пылинок и продуктов износа самой ленты, вызывая что-то вроде «эффекта палатки» с попавшей частичкой в качестве опорного шеста (рисунок 2.64).

Поэтому в формате R-DAT, так же, как и в формате CD, в качестве мер защиты от ошибок предусмотрены и корректирующие коды, и эффективная система перемежения. А неисправленные выборки точно так же маскируются интерполяцией и приглушением.

Причем, система перемежения в R-DAT выполнена таким образом, что даже если одна из головок полностью перестанет работать, то звуковой сигнал все равно будет воспроизводиться другой головкой практически без особого ущерба для качества. Такой эффект обеспечивается за счет того, что на каждую из дорожек записываются четные выборки одного из стереоканалов вперемежку с нечетными выборками другого. И при полном загрязнении одной из головок, недостающие выборки будут восстанавливаться интерполяцией.

2.4.5 Формат "мини-диск"

Качество звучания компакт-дисков несколько противоречиво: они наиболее качественно передают самые сильные сигналы, которых в музыкальной программе не так уж много, а наименее качественно - самые слабые сигналы, которых намного больше. Такую ситуацию исправить практически невозможно, если не внести принципиальные изменения в стандарт записи. К тому же диаметр компакт-диска слишком велик и карманный CD-плейер получается значительно больше такого же кассетного, а потому неудобен для кармана. Решением этой проблемы, обобщив многолетний опыт работы с компакт-дисками и технологию цифровой обработки сигнала, всерьез занялись специалисты фирмы Sony — они создали мини-диск, первые образцы которого появились на рынке в 1992 году.

Мини-диск имеет диаметр 3,5 дюйма, объем 1,44 Мбайта и находится в футляре. Запись на мини-диск осуществляется магнитным способом, этим он несколько напоминает дискету, однако считывание записи производится оптическим способом, что роднит его с компакт-диском. Разумеется, процесс записи и воспроизведения намного сложнее, чем может показаться. Так, магнитная запись осуществляется на тонкий металлический, практически гомогенный (однородный) слой специального состава. Специальный состав обладает магнитной «жесткостью». Это означает, что под воздействием внешнего магнитного поля перемагничивание диска практически отсутствует или весьма мала. По этой причине запись, сделанную на мини-диск, нельзя стереть столь же легко, как запись на магнитофонную ленту. Процесс записи на мини-диск осуществляется совершенно иным способом, чем на все остальные носители магнитной записи.

Рисунок 2.65 Процесс записи на мини-диск

Для каждого ферромагнитного материала существует определенная температура, называемая «точкой Кюри», при достижении которой радикально изменяются его качества - материал перестает быть ферромагнитным. Если ферромагнитный материал нагреть выше соответствующей температуры, внести в магнитное поле (или создать вокруг него сильное магнитное поле при помощи, например, электромагнита), а затем охладить его до температуры ниже точки Кюри, то магнитное поле в нем как бы «замерзает». Поскольку речь идет о материалах, обладающих магнитной «жесткостью», то «внутреннее» магнитное поле продолжает в них оставаться и после отключения внешнего магнитного поля. Именно такой принцип используется при записи на мини-диск (рисунок 2.65). Он вращается в непосредственной близости от мощного электромагнита, и все точки его поверхности последовательно разогреваются инфракрасным лазерным лучом. Разогревание производится краткими импульсами, разогретое место быстро охлаждается и сохраняет в себе внешнее магнитное поле, которое меняет полярность в зависимости от того, какой знак записывается на мини-диск — ноль или единица. Таким образом, в записывающем слое возникают островки, обладающие различной полярностью. Их нельзя увидеть или прочитать путем изменения высоты отражающей поверхности, как это происходит в компакт-дисках, в которых запись несут углубления (питы). Однако запись можно считать на основании принципа, заключающегося в том, что при падении поляризованного света на намагниченную поверхность изменяется направление поляризации. Таким образом, конструкция устройства для считывания записи на мини-диск полностью отличается от конструкции аналогичного устройства в проигрывателе компакт-дисков. Для считывания записи применяется тот же лазер, что для записи. Разница заключается лишь в сниженной мощности лазерного луча при считывании. Это делается для того, чтобы не разрушить записанный материал. Кодирование сигнала на мини-дисках существенно отличается от способов, применяемых в компакт-дисках или системах R-DAT. Это связано с проблемой экономного кодирования. Благодаря широкому распространению цифровых технологий, обладающих огромным и несомненным преимуществом: они обеспечивают запись, передачу, воспроизведение и другие способы обработки исходного цифрового сигнала (включая многоразовое копирование) без снижения его качества. Для цифровой обработки аналоговые сигналы необходимо заменить быстро изменяющиеся величины последовательностью чисел, которые изменяются скачкообразно. Такая замена осуществляется в общем-то приблизительно, поэтому в ее процессе происходит частичная потеря качества сигнала. При записи, передаче и т.д. указанные потери не увеличиваются, однако они все же существуют. И если органы чувств человека способны заметить изменения, произошедшие при обратном преобразовании цифрового сигнала в аналоговый, то можно сделать вывод, что определенных потерь качества избежать невозможно.

Хотя физиологические и акустические исследования утверждают, что человеческий слух обрабатывает лишь незначительную часть получаемой информации, тем не менее, частичная потеря информации четко в эту часть вписывается. Иными словами, наш слух очень негативно реагирует на потерю качества сигнала, даже если она проявляется в самой простом виде.

Потерю качества сигнала при аналого-цифровом преобразовании сигнала можно сравнительно легко снизить путем повышения точности преобразования, практически осуществляемого при помощи увеличения количества битов, в которые преобразуется аналоговый сигнал. Поскольку при создании компакт-дисков разработчикам удалось справиться с линейной шестнадцатибитовой технологией, создалось впечатление, что именно она вполне удовлетворяет человеческий слух. Однако до слушателя доходит динамический диапазон, составляющая около 50 дБ, который сравним с величиной, обеспечиваемой аналоговой записью на магнитной ленте. Соотношение сигнал/шум несколько лучше, чем в аналоговых аппаратах.

В данном случае шум действует как естественный дитер. Дитер (dither) — это псевдослучайный сигнал, подмешиваемый к основному в процессе дискретизации. Если же в процессе дискретизации попытаться достигнуть повышения качества сигнала путем добавления дополнительных битов, то придется столкнуться с двумя проблемами. Основная проблема заключается в том, что однажды принятый стандарт очень трудно изменить. Вторая проблема чисто технического порядка: чем большее количество битов передается, тем большие требования предъявляются к качеству аппаратуры, передающих каналов, скорости обработки и т.п. Многобитовые (т.е. более высокие, чем 16- битовые) технологии применяются в профессиональной студийной аппаратуре, однако и в этом случае приходится возвращаться к 16-битовому квантованию. Для обратного преобразования существует несколько способов, в том числе с применением метода SBM (Super Bit Mapping = супербитовое отображение). Для звукового сигнала, эта проблема в основном решена, причем было найдено сразу несколько решений. Однако все решения основаны на одном и том же принципе, связанным с использованием эффекта маскировки. Так как из смеси различных звуков органы слуха выделяют лишь наиболее сильные звуки, полностью игнорируя слабые. Принимаются во внимание также детали временных характеристик, их частотные составляющие (окраска), а также некоторые другие факторы. Таким образом, выбрав правильный способ кодирования, можно снизить объем передаваемой информации почти в десять раз, при этом качество звучания остается вполне приемлемым. Наиболее эффективные методы применяются в системе MP-3(2) при многоканальной передаче звука.

При записи звука на мини-диск применяются аналогичные методы, включающие в себя так называемое кодирование с плавающей запятой. Представим себе, что при линейном шестнадцатибитовом квантовании для записи мгновенного значения сигнала имеется в распоряжении диапазон чисел от -32768 до +32768. При помощи этих чисел требуется записать напряжение в пределах от -3 до +3 В. Такие величины напряжения встречаются, например, у выходного сигнала проигрывателя компакт-дисков. Напряжение величиной три вольта можно передать с отклонением трех тысячных процента, а напряжение величиной три тысячных вольта передается с отклонением (а тем самым с возможной ошибкой) порядка нескольких процентов. Положение можно исправить, если пожертвовать точностью передачи самых больших напряжений. Решение было найдено путем записи математического выражения с плавающей запятой, которая отвечает обычному способу записи числа в таком виде: число, умноженное на десять в некоторой степени. Например, 32768 = 3,2768 * . Разумеется, вместо десятичной системы счисления используется двоичная, однако суть не меняется. Если, например, в шестнадцатибитовой записи использовать первые двенадцать битов для записи числа, а оставшиеся четыре — для записи показателя степени, то можно, не выходя их вышеуказанного интервала от -32768 до +32768, достичь отображения возможной разрешающей способности с погрешностью, не превышающей пяти сотых долей процента у самых больших и самых малых величин. Существуют и более хитроумные способы решения этой проблемы, и именно они используются в мини-дисках.

Таким образом, удалось достичь величины искажений записи на мини-диске меньших, чем одна сотая процента при любом полезном напряжении. Динамический диапазон является несколько меньшим, чем аналогичный показатель у компакт-дисков, тем не менее, он все же превышает 90 дБ. Детонация практически отсутствует. Принятые меры по сжатию информации привели к тому, что семьдесят четыре минуты записи можно вместить на диск, размеры которого не больше компьютерной дискеты диаметром 3,5 дюйма. При этом, несмотря на многочисленные меры по экономии, слышимые искажения сигнала практически отсутствуют. Это утверждение можно в полной мере отнести к новейшим моделям как проигрывателей мини-дисков, так и записывающих устройств.

Дата добавления: 2015-07-21