|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 2 3 4 5 6 ... 16 напряжения от возможных комбинаций 5-разрядных слов. Штриховыми линиями показаны два входных аналоговых напряжения с первоначальными значениями х и у, которые со временем уменьшаются (например, из-за утечки конденсатора). Так как значение сигнала х в момент времени больше значения аппроксимирующего сигнала, преобразователь переходит из точки А в точку В. В конечном итоге этот сигнал преобразуется в двоичное слово 10000. В то же время преобразование сигнала у, первонг-чальное значение которого ненамного меньше х, будет осуществляться в другой ветви, соответствующей точке С, и закончится двоичным словом 01100. К такому результату приводит не только некоторое различие начальных значений х и г/, но и полное отсутствие
Рис. 1.23. Структурная схема классического АЦП на основе регистра последовательных приближений Рис. 1.24. График зависимости аппроксимирующего напряжения от возможных двоичных последовательностей преобразования -Ь'ш от он:} 0111! to t, значений входных напряжений, которые могли бы быть преобразованы в слова 01111, 01110 или 01101. Указанные неиспользуемые коды соответствуют не.монотонному изменению входных напряжений. Этот эффект наиболее выражен для малых значений сигналов (вблизи ОВ), так как неправильный выбор значения старшего разряда приводит к большой ошибке, которая впоследствии не устраняется. Нелинейные смещения некоторых уровней квантования эквивалентны погрепшостям, присущим ЦАП; и в УВХ, и в ЦАП механизм возникновения ошибок является статистическим, не зависящим от входного сигнала и носит аддитивный характер. Эффект изменения значения хранимого сигнала во времени может быть снижен увеличением емкости конденсатора или уменьшением тока утечки. Оба способа не всегда легко реализовать на практике. Выходная часть цифровой системы преобразования почти всегда содержит усилитель выборки-хранения, функции которого существенно отличаются от функций аналогичного входного усилителя. В основном он служит для устранения шумов и искажений, возникающих при работе ЦАП. Однако усилитель выборки-хранения создает собственные искажения сигнала, так как выход усилителя подсоединен к выходному ФНЧ (рис. 1.25, а). Рассмотрим процесс переключения выходного усилителя от фазы-хранения (предыдущего значения) к фазе слежения (приобретения нового значения). Этот переход является нелинейной функцией разности нового и старого значений. На рис. 1.25, б, в показаны два вида переходов (штриховые линии) в сравнении с идеализированными (сплошные линии). На диаграмме рис. 1.25, б переходы носят линейный характер, а на диаграмме 1.25, в -экспоненциальный. Из этих двух типов переходов большую ошибку дает линейный. Экспоненциальный переход способствует подавлению высоких частот и не вносит нелинейность в процесс преобразования сигнала. Выходной ФНЧ в комбинации с усилителем выборки-хранения служит для преобразования дискретных последовательностей напря-
к Рис. 1.25. Структурная схема выходного преобразователя (а) и график измене-н.ия выходного напряжения усилителя выборки-хранения при линейных (б) и экспоненциальных (в) переходах между значениями сигнала жений ЦАП в непрерывный аналоговый сигнал. Ступенчатый характер сигнала соответствует процессу устранения тех высокочастотных составляющих, которые появились в результате выборки. Выходной ФНЧ должен иметь равномерную характеристику в полосе пропускания и возможно большее затухание в остальной полосе частот. Наличие выходного ФНЧ создает специфические проблемы, так как усилитель выборки-хранения вносит дополнительное затухание на высших частотах сигнала. Проектирование корректирующих фильтров сложная задача, требующая большого объема вычислений [181. С помощью фильтров невысокого порядка трудно обеспечить заданные неравномерности частотной характеристики, ввиду недостаточного числа степеней свободы. Например, одиночная пара полюсов обеспечивает только две степени свободы (два регулируемых параметра). Поэтому обычно используются корректирующие фильтры высоких порядков. Реальная частотная характеристика системы выборки-хранения имеет вид Я,(5) = 1 -е ST + 1 (1.6) где т - постоянная времени интегрирования; Гд - период дискретизации; fif - время, в течение которого происходило интегрирование; S - переменная преобразования Лапласа, соответствующая /со. Первый сомножитель в формуле (1.6) является результатом того, что интегрирование выполняется за время, меньшее периода, второй сомножитель соответствует естественной низкочастотной фильтрации при интегрировании. Если не учитывать фазовые эффекты, выражение (1.6) можно преобразовать к виду \ 2Кт~у 1 -/с cos 2Я/7-Д (2nfx)+l где К = (-2е-</)/(1 + е-з^/). При расчетах корректирующих фильтров функции (/) и Н. {[) должны использоваться совместно. Для того чтобы усилить низкочастотную фильтрацию, в функции Н.2 (/) нужно взять большее значение постоянной времени т, или меньшее значение времени интегрирования d. Это не равнозначные операции, так как ограничение времени интегрирования обеспечивает периодичность частотного отклика связанную с частотой дискретизации, а увеличение постоянной времени обеспечивает большее затухание во всей полосе частот. Корректирующие фильтры малоэффективны в условиях высокочастотных помех, поэтому большое внимание в цифровой звукотех-нической аппаратуре следует уделять вопросам электромагнитной совместимости. В цифровой системе преобразования сигналов возникают и влияют на качество их передачи [62] следующие виды ошибок: погрешность, вносимая входным ФНЧ из-за конечной длительности переходов уровня сигнала в верхней части звукового диапазона и за ним; недостаточная фильтрация высокочастотных входных сигналов; шум, создаваемый входным ФНЧ или усилителем выборки-хранения; ошибки входного усилителя выборки-хранения, обусловленные временем установления сигнала; погрешность из-за недостаточного времени установления процесса при преобразовании методом последовательных приближений; ошибки значений уровней квантования ЦАП, применяемого в составе АЦП; шум компаратора ЦАП; ошибка из-за переменного эффективного времени выборки во входном устройстве выборки-хранения; погрешность, обусловленная временными флуктуациями входных и выходных синхроимпульсов выборки; погрешность из-за диэлектрического поглощения в конденсаторах входных и выходных усилителей выборки-хранения; ошибка из-за уменьшения значения сигнала в течение фазы хранения; нелинейности низкочастотной части характеристик аналоговых цепей, обусловленные неравномерным нагреванием большими токами ле-ментов входных каскадов; шумы источника питания и плохого заземления; неравномерность уровней квантования в выходном ЦАП; производные искажения высокого порядка в выходном устройстве выборки (интегрирования-хранения); шум выходного фильтра, обусловленный ограничением динамического диапазона интегрирующей цепи; изменение характеристик в зависимости от температуры и времени. 5. ПРЕИМУЩЕСТВА ЦИФРОВЫХ МЕТОДОВ МАГНИТНОЙ ЗВУКОЗАПИСИ Качественные характеристики аппаратуры цифровой магнитной звукозаписи во многом определяются выбором конечного семейства дискретных электрических сигналов, поступающих на запись, а также возможностью установления определенных временных соотношений между записываемыми и воспроизводимыми сигналами. При магнитной звуко'аписи используют известные методы представления двоичной информации, разработанные в технике передачи сигналов по каналам связи, но все они имеют специфические особенности, характерные только для магнитной записи. Обычно применяемая запись по двум уровням намагничивания носителя предъявляет невысокие требования к динамическому диапазону канала прямой записи-воспроизведения (так как передаются только два уровня сигнала). Нелинейные искажения двухуровневого сигнала в таком канале не оказывают существенного влияния на восстановленный сигнал. Для опознания по мере поступления каждого дискретного сигнала необходимо установить в нем при воспроизведении соответствующие временные соотношения. Это всегда требует увеличения про^ пускной способности канала записи-воспроизведения, причем более экономичным является использование самосинхронизируемых сигналов. Цифровые методы магнитной звукозаписи применяются в тех случаях, когда точность аналоговых методов оказывается недостаточной, хотя повышение точности при цифровых методах достигается увеличением объема записываемого сигнала. В настоящее время применительно к звукозаписи основные преимущества цифровых методов перед аналоговыми заключаются в следующем [15]: 1. При цифровой звукозаписи уровень шума зависит лишь от шага квантования и может быть сколь угодно малым. При аналоговой звукозаписи уровень шума зависит от свойств магнитного носителя, головок, режима записи. Относительный уровень модуляционного шума в аналоговых аппаратах записи достигает ЗР дБ. 2. При цифровой записи источником нелинейных искажений являются аналоговые усилители, включенные до АЦП и после ЦАП. Уровень вносимых ими нелинейных искажений может быть снижен до сотых долей процента. При аналоговой записи нелинейные искажения определяются режимом намагничивания носителя и не могут быть меньше нескольких десятых долей процента. 3. При цифровой магнитной звукозаписи любая копия не отличается от оригинала, так как ее качество определяется лишь законом кодирования. Каждая перезапись аналоговых сигналов сопровождается возрастанием уровня шумов, непинейных и частотных искажений, детонации примерно в У~2 раз. 4. При цифровых методах звукозаписи полностью устраняются Детонация, перекрестные помехи межлу каналами, копирэффект. 5. Характеристики цифровых аппаратов значительно стабильнее, так как зависят лишь от вида цифрового сигнала, который не изменяется в процессе эксплуатации. Характеристики аналоговых аппаратов магнитной записи ухудшаются по мере износа носителя, головок, механизмов транспортирования носителя. 6. Цифровые методы звукозаписи автоматически обеспечивают полную идентичность каналов в случае многоканального исполнения аппаратуры. Это требует применения одинаковых законов кодирования в них. В аналоговых аппаратах магнитной записи обеспечить идентичность каналов очень трудно. 7. Цифровые методы звукозаписи реализуются с помощью широко распространенных цифровых интегральных схем. Это повышает надежность, снижает стоимость и габаритные размеры аппаратуры. Глава 2 КАНАЛ ЦИФРОВОЙ МАГНИТНОЙ ЗВУКОЗАПИСИ 1. СТРУКТУРА КАНАЛА ЦИФРОВОЙ МАГНИТНОЙ ЗВУКОЗАПИСИ Структурная схема современного цифрового канала звукозаписи, изображенная на рис. 2.1, принята для анализа каналов связи [53]. Источник информации 1 формирует случайное сообщение, которое преобразуется в случайную цифровую последовательность с помощью кодера источника 2. В наиболее простом случае кодер источника представляет собой преобразователь аналог - цифра. В более общем случае оп является устройством для отображения выборок в слова, т. е. в последовательности цифр или символов. Кодер источника может быть предназначен, например, для з'мень-шения избыточности, почти неизбежно присутствующей в необработанных данных. Перекодер тракта магнитной записи-воспроизведения (ТМЗВ)5 предназначен для того, чтобы внести избыточность в передаваемое сообщение. Это позволяет правильно его опознать на приемном конце, несмотря па некоторые ошибки, которые могут произойти при передаче. Вносимая перекодером 3 избыточность является эффективной мерой борьбы с ошибками еще и потому, что она контролируема. Если перекодированию подвергается каждый символ входной последовательности, его называют поэлементным, если перекодированию подвергается группа символов - групповым. Функция модулятора 4 состоит в преобразовании последовательности символов на выходе перекодера 3 в сигнал цифровой магнитной записи. Этот сигнал должен отличаться высокими информационной эффективностью и помехоустойчивостью в специфических условиях ТМЗВ. В общем случае каждый сигнал цифровой магнитной записи (ЦМЗ) представляет собой преобразованную для передачи с помощью абсолютных или относительных способов модуляции несущую гармонической или прямоугольной формы, или несу- щую нулевой частоты (постоянный уровень). При формирования сигналов сложной формы (УФМ, УБВН и др.) соответствующее AM, ЧМ или ФМ колебание подвергается дополнительному преобразованию. Рациональное распределение функций между перекодером 3 и модулятором 4 позволяет значительно упростить формирование сигналов ЦМЗ. В настоящее время резко сократилось количество систем, использующих сигналы с гармонической формой несущей, ввиду простоты формирования сигналов прямоугольной формы. Усилитель записи 5 служит для согласования модулятора 4 с записывающей магнитной головкой. Дополнительной функцией модулятора 4 и усилителя записи 5 может быть операция введения в сиг- Танто5йя синхронизация JsKmoSan синхронизации Рис. 2.1. Структурная схема канала цифровой магнитной звукозаписи нал предварительных искажений для коррекции формы воспроизведенного сигнала. Тракт магнитной записи-воспроизведения ТМЗВ представляет собой систему головка-носитель- головка и является основным узлом канала. Для достижения высокой достоверности записи усилитель воспроизведения 7 должен обеспечивать высокое отношение сигнал/ шум, обладать широким динамическим диапазоном, быть устойчивым к с лфазной помехе и наводкам по питающей сети. Высокое отношение сигнал/шум необходимо для обеспечения надежноЙ1рабо-ты в условиях глубокой паразитной амплитудной модуляции (ПАМ), когда отношение сигнал/шум в канале кратковременно значительно уменьщается. Формирователь 8 предназначен для коррекции и восстановления информативных параметров воспроизведенного сигнала. Основной причиной искажений формы цифрового сигнала является дифференцирование его индукционной воспроизводящей магнитной головкой {е = -йФ/сИ, где е - ЭДС на выходе головки, Ф - магнитный поток в ее сердечнике), поэтому наиболее эффективным способом коррекции является интегрирование воспроизведенного сигнала. Однако интегрирование ухудшает частотную характе- теристику КМЗВ в области верхних частот, поэтому в современной аппаратуре ЦМЗ применяют дополнительное дифференцирование сигнала, при котором фазовый сдвиг в канале становится равным я. При этом происходит инвертирование воспроизведенного сигнала: Ке И = /СО/Сф (со); Ке ((О)доп.диф = (/ю) /( (со) = - Ы^Кф (ю), где Ке (со), Кф (ю) - передаточные функции канала по ЭДС и по потоку соответственно. Дополнительное дифференцирование, компенсируя частотно-не-вависимые фазовые сдвиги в сигнале, одновременно увеличивает неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) [14]. Поэтому важной функцией усилителя воспроизведения является коррекция АЧХ канала, которая не должна существенно нарушать достигнутую дополнительным дифференцированием коррекцию фазо-частотной характеристики (ФЧХ). Вследствие этого предпочтительнее применение неминимально-фазовых корректоров АЧХ^[14]. При цифровой записи, в отличие от аналоговой, основной задачей корректоров является не полное восстановление формы сигнала, а коррекция его информативных параметров, в частности, расстояний между его нуль-пересечениями. Окончательное формирование прямоугольных сигналов чаще всего осуществляется широкополосным двусторонним амплитудным ограничителем, имеющим низкий порог ограничения. Такой способ формирования принципиально совпадает с формированием по нулю производной, но отличается значительно большей помехоустойчивостью при практической реализации. Демодулятор 9 преобразует ограниченный сигнал в последовательность символов, чаще всего двоичных. При этом дискриминация символов О и 1 осуществляется путем оценки длительности интервалов между нуль-пересечениями воспроизведенного сигнала Tj, Tg, Ti и сравнением их с соответствующими интервалами записываемого сигнала, либо между собой. Структура демодулятора определяется типом сигнала и условиями записи-воспроизведения. /Одной из наиболее сложных и ответственных задач, возникающих при разработке аппаратуры ЦМЗ является рациональное построение синхроблока 10. Достоверность процесса записи-воспроизведения в значительной степени определяется помехоустойчивостью системы синхронизации [13]. При нарушении синхронизации правильное воспроизведение информации невозможно, несмотря на исправность всех блоков и КМЗВ в целом. Информационная двоичная последовательность, снимаемая с выхода демодулятора 9 преобразуется декодером ТМЗВ 11 в тот вид, который был на входе перекодера ТМЗВ 3. Декодер источника 12 преобразует поступающую на его вход последовательность в последовательность импульсов различной амплитуды, которые и поступают к получателю информации 13. % ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАКТА МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ-ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ Физические превращения сигнала, составляющие сущность процесса магнитной записи, происходят в ТМЗВ. Поэтому при разработке любых типов аппаратуры магнитной записи необходимо учитывать такие характеристики ТМЗВ, как частотные, временные, нелинейные искажения, шумы и перекрестные помехи. При цифровой магнитной звукозаписи необходимо также учитывать фазовые искажения и знать статистические характеристики сигнала и паразитных модуляций. Процесс магнитной записи-воспроизведения можно рассматривать как сложное преобразование текущих координат сигнала во временной и пространственной областях с изменением масштаба их отображения: [/ех Щ /з (О Фз (О Ф. (4 Фв W Фв (О £в (О где UBj.it), t/вых (О - входное и выходное напряжения сигнала соответственно; t - текущее время; х - расстояние, пройденное носителем; /3 () - ток записи; Oit) - магнитный поток в сердечнике записывающей головки; {х) - остаточный магнитный поток сигналограммы; Фв (х), (i) - магнитный поток в сердечнике воспроизводящей головки, представленный в пространственной и временной областях соответственно; (t) - ЭДС на выходе воспроизводящей головки. При постоянной скорости носителя зиписи связь между частотно-временной (со, t) и пространственно-волновой (Q, х) областями определяется соотношениями со = = 2nv/K = Qv; Q = 2п/Х = 2nf/v = ю/и; cot = Qx, где со, Q - круговая и пространственная частоты соответственно. J - номинальная скорость носителя; I - длина волны записи. Процесс магнитной записи-воспроизведения можно рассматривать как передачу сигнала в канале с переменными параметрами 1.14]. Комплексную передаточную функцию такого канала можно описать в области (со, t) или в области (Q, х): К (со, О = К(со, О ехр f/ф (со, t)]; К (Q, X) = К (Q, X) ехр [/ф (Q, х)], где /С(со, t), К (, х) - модули передаточных функций или флуктуирующие амплитудно-частотная (АЧХ) и амплитудно-волновая (АВХ) характеристики соответственно; ф(со, t), ц> (х, Q) - флуктуирующие фазочастотная и фазоволиовая характеристики (ФЧХ и ФВХ) соответственно. Рассмотрим специфические особенности ТМЗВ. Неравномерность АЧХ. Неравномерность АЧХ ТМЗВ вызвана потерями, зависящими от длины волны записи и частоты сигнала (потери в процессе записи, потери саморазмагничивания, слойные, щелевые, контактные потери воспроизведения, частотные потери в головках), а также дифференцирование сигнала индукционными воспроизводящими головками. Слойные потери зависят от средней толщины d рабочего слоя и от магнитной проницаемости [i носителя записи. В случае, когда М- = I, К, (Q) = [1 - ехр(-Qrf)]/Qrf, где Кс () - коэффициент слойных потерь. По мере увеличения 1 слойные потери быстро возрастают вследствие саморазмагничивания. Щелевые потери определяются эффективной шириной рабочего зазора б воспроизводящей магнитной головки. Значение б зависит от толщины прокладки в зазоре головки А и качества ее изготовления: б л; (1,2...1,5) А. Чем уже зазор, тем больше отношение б/А (например, при А < I мкм б/А > 1,5). Приближенная формула для вычисления щелевых потерь имеет вид Ких (й) sin (0,5Q6)/(0,5Q6). (2.1) На практике вследствие неизбежных технологических закруглений кромок зазора значения Кщ (Q) уменьшаются быстрее рассчитанных по формуле (2.1). При 6 5 мкм исчезают периодические максимумы щелевой функции реальных головок. Контактные потери обусловлены немагнитным зазором а, эквивалентным средней шероховатости поверхностей носителей и головок, а также аэродинамическим зазором, возникающим между этими поверхностями при быстром движении носителя. Контактные потери при воспроизведении определяются по формуле К.в() = ехр(-aQ) (2.2) или в децибелах /Сдб 54,6 а/л. При записи без подмагничивания на носитель с толстым рабочим слоем {d а) контактные потери Кк.з {Щ = ехр [- (1, 3.. .1, 5) аЙ]. (2.3) Графики слойных, щелевых и контактных потерь показаны на рис. 2.2. К дополнительному спаду волновой характеристики приводит непараллельность рабочих зазоров записывающей и воспроизводящей головок. Это происходит из-за технологических допусков на точность их установки.  г (О Рис. 2.2. Графики слойных, щелевых и контактных потерь идеализированного ТМЗВ Потери перекоса Kni) = sin (0,5Qb tgT5)/0,5Qbtgi), где г|5 - угол перекоса; Ь - ширина дорожки записи. При непараллельности рабочих поверхностей головки и носителя возникают потери, аналогичные слойным, которые рассчитывают по формуле /Се (Й) = [sh (Qbtg 8/2)]/Qbtg 0/2, (2.4) где 9 - угол между рабочими поверхностями головки и носителя. Формула (2.4) справедлива для плоских рабочих поверхностей головки и носителя. При произвольном, например, по закону г/ = / (z) изгибе рабочей поверхности носителя /(о (й) рассчитывается следующим образом [14]: Ке(й)= J exp[-/(z)Q]dz, мин где амин, макс - минимальное и максимальное значения неконтакта. При необходимости точной передачи крайних низких частот необходимо учитывать колебательные волновые искажения ( Змейку ), которые определяются размерами и формой сердечников воспроизводящих головок, а также расположением их внешнего экрана. В этом случае можно воспользоваться выражением: Кв.и (Й) = 0,5Q25 (Q), где 5 (Q) = 2 j ф (х) е-dx - прямое преобразование Фурье функции потокосцепления головки и сигналограммы ф (ху, 1 при 0<д;< 2; - 1 при - 2<x<0; exp[-2nv(x)/l] при 2<д:<оо; - ехр l2nv {х)/1] при - оо < л: < - 1/2. Здесь V (х) - минимальное расстояние от элемента сигналограммы с координатой х на оси абсцисс до сердечника воспроизводящей головки; / - длина контактной зоны головки и носителя. Для уменьшения осциллирующих искажений необходимо подбирать форму сердечника воспроизводящей головки. Наименьшие искажения дает сердечник параболической формы, наибольшие - прямоугольный сердечник с близко расположенным экраном. На рис. 2.3 показаны конструкции воспроизводящих головок с сердечником параболической и прямоугольной форм и соответствующие им графики ф (х) и Кв.я ()- Частотные потери обусловлены расходом энергии на перемагни-чивание сердечников магнитных головок (величина таких потерь 2 0-4002 33 ф(х) = 1 2 3 4 5 6 ... 16 |
||||||||||||||||||||||||||||