Система DVD-Audio

Система DVD-A является дальнейшим развитием системы " Компакт Диск" и также предназначена для массового производства оптических дисков с цифровой записью музыкальных программ, но с более высоким качеством чем в системе CD. Диски также имеют диаметр 120 мм, запись на диске может быть на одной или на двух сторонах в виде одного или двух слоев. Технические характеристики записи в этой системе примерно такие же, как в системе SACD. А именно: длина волны излучения лазера 635 им, минимальная длина пита 0, 45 мкм, шаг спиральной дорожки 0, 74 мкм, информационная емкость одностороннего однослойного диска 4, 7 Гбайт.

В системе DVD-A высококачественная запись звука может производиться в двух форматах. А именно: с линейной импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) без компрессии и с компрессией до 50%. Используется специальный способ компрессии без потерь, как это делается в компьютерах, который называется «Packed PCM» (Packed Pulse Code Iviodulation -ИКМ с упаковкой цифровых данных). Запись может быть стереофоническая и многоканальная (до 6 звуковых каналов). При записи могут использоваться 16, 20 и 24 разряда, частота дискретизации может быть одной из следующего ряда: 48, 96 и 192 кГц или 44, 1; 88, 2 и 176, 4 кГц. Стереофоническая запись может производиться только в форматах 192/24 и 176, 4/24. В стандарте DVD-A предусмотрена возможность воспроизведения многоканального звука стереофонической системой.

Для обнаружения и исправления ошибок используется комбинация двух кодов: кода Рида Соломона и кода-произведения, Этот код обозначается как RS+PC (CIRCplus), он является дальнейшим развитием кода, используемого в системе CD. В зависимости от числа звуковых каналов, числа разрядов, частоты дискретизации на однослойном и одностороннем диске время записи может быть от 62 до 128 минут. Для двухслойного и одностороннего диска это время в 2 раза больше, а для двухслойного и двухстороннего диска - в 4 раза. При этом скорость цифрового потока от 9, 6 до 13, 8 Мбайт/с.

менения дискретности и длительности импульсов определяется выбран­ным канальным кодом.

Логическая «1» соответствует положительной полярности импуль­са, а логический «О» - отрицательной. Логические «1» и «О» намагничи­вают PC носителя записи до насыщения: +M_S и -M_s (рис.1), поэтому не­линейность передаточной функции /W=< p(tf) здесь не имеет значения. По этой причине нет необходимости использовать ВЧ подмагничивание и производить стирание записи отдельной магнитной головкой. Для записи и воспроизведения могут использоваться или отдельные головки, или одна универсальная. Стирание производится во время записи за счет на­магничивания PC до насыщения. Импульсный ток записи вызывает скачкообразное изменение магнитного потока в ГЗ, но это не позволяет получить ступенчатое изменение намагниченности НЗ. Поэтому между состояниями различной намагниченности, показанными на рис. 21 в виде заштрихованных областей, возникают переходные зоны без намагничен­ности шириной Gp. Длина этих переходов определяется формой петли гистерезиса НЗ и формой поля рассеяния ГЗ. Они равны расстоянию на фонограмме, при котором остаточная намагниченность М_т уменьшается до значения 0, 9А/_г. При прямоугольной петле гистерезиса магнитной ленты размеры переходов близки к нулю. Длина перехода G_p определяет предел продольной плотности записи и ее разрешающую способность.

Известный эффект саморазмагничивания фонограммы приводит к уменьшению остаточной намагниченности. При цифровой звукозаписи этот эффект вызывает необходимость увеличения расстояния между зо­нами намагниченности Gd. Это также приводит к уменьшению плотно­сти записи. Величины G_p и Gd, снижающие плотность записи, определя­ются независимыми факторами и поэтому действительная длина перехода равна большему из этих значений.

При воспроизведении цифровой записи в ГВ индуцируется ЭДС, которая пропорциональна производной магнитного потока по времени (закон Фарадея). Поэтому выходной сигнал ГВ имеет вид двухлолярных узких импульсов (рис. 21), максимумы которых соответствуют по време­ни изменению намагниченности НЗ.

Еще одно существенное отличие. При цифровой звукозаписи име­ется возможность мультиплексировать два и более каналов в единый цифровой поток, который записывается на одной дорожке. При воспроиз­ведении осуществляется демультиплексирование. При мультиплексиро­вании производится временное сжатие цифровых потоков каналов, их данные организуются в блоки и передаются последовательно из разных каналов.

Рис. 21. Цифровая магнитная запись и ее воспроизведение

4.2. Плотность магнитной записи

Плотность записи существенно зависит от магнитных параметров НЗ. При большой коэрцитивной силе НЗ меньше эффект саморазмагни­чивания и расширяется частотная характеристика тракта воспроизведе­ния. Это позволяет записывать более короткие волны и повышать плот­ность записи. При увеличении остаточной намагниченности растет отдача магнитной ленты, но увеличивается саморазмагничивание, что приводит к уменьшению плотности записи. Поэтому плотность записи линейно рас­тет с увеличением отношения НУМ _г. Нижний предел величины М_х опре­деляется допустимым уровнем сигнала воспроизведения. При увеличении коэффициента прямоугольное™ магнитной ленты уменьшается длина переходов между противоположными состояниями намагниченности G_p и благодаря этому увеличивается плотность записи.

С увеличением толщины PC магнитной ленты при воспроизведе­нии возрастают слойные потери и расширяется область перехода между противоположными состояниями намагниченности НЗ при записи. Все

это приводит к понижению плотности записи, поэтому при цифровой звукозаписи толщина PC не должна превышать 0, 5...4 мкм.

Предельные характеристики плотности записи обеспечивает шири­на зазора ГВ. В настоящее время технически реальной является ширина зазора около 0, 1 мкм. Это соответствует О_пр = 10 ⁴ пер/мм. Плотность записи в бит/мм всегда выше, и она существенно зависит от используемо­го канального кода.

4.3. Магнитные головки и носители записи

Цифровая звукозапись может осуществляться с фиксированными и вращающимися магнитными головками. Часто головки выполняются плавающими с зазором между головкой и НЗ, который может быть от 0, 13 до 0, 5 мкм. Материал сердечника головки должен иметь достаточно малую остаточную индукцию, высокую магнитную проницаемость и ин­дукцию насыщения. Для высокой скорости цифрового потока головки изготавливаются только из феррита.

Магнитные носители подразделяются на порошковые и металли­ческие. Порошковый PC обычно изготавливается из гамма-окисла желе­за, у которого Н к = 22, 5 кА/м, а В _г = 0, 09...0, 14 Т. Применяется также феррит-кобальт, у которого Нк= 25...80 кА/м, и двуокись хрома с Н^ =

40 кА/м. Толщина PC d = 0, 5... 1 мкм. Для этих НЗ длина перехода G _р =

d/2.

Для металлических покрытий используются сплавы: Со - W, Со -Ni, и др. У них Н к меняется от 16 до 80 кА/м, Толщина таких покрытий 0, 1...0, 3 мкм, коэффициент прямоугольное™ равен 0, 45...0, 75, а магнит­ная индукция около 1 Т. Для защиты очень тонких металлических по­крытий используются немагнитные покрытия из родия толщиной 0, 3...0, 7 мкм.

Для металлических покрытий длина перехода рассчитывается по формуле

M2dM,)1qH_n q< \. (39)

Отношение М_т/И _к для металлических носителей в 5... 10 раз больше, чем для порошковых, поэтому плотность записи на них выше.

Современные цифровые магнитные ленты выпускаются только в пылезащищенных кассетах. Для многодорожечной записи наиболее мас­сово выпускаются кассеты формата ADAT (Alesis Digital Audio Tape -цифровая аудиолента фирмы Alesis). Это видеокассеты формата S-VHS с лентой шириной 1/2" с толщиной PC 3 мкм. Длительность записи рав­на 42 и 60 мин.

Для многодорожечной записи используется и другой формат кас­сет - DTRS (Digital Tape Recording System - система цифровой записи на ленту). Он был предложен фирмами Sony и Tascam. Ширина ленты 8 мм, время записи - 30, 60 и 113 мин. Эта кассета очень похожа на видеокассе­ту 8 мм формата видеозаписи.

Для стереофонической записи в магнитофонах с вращающимися головками используются кассеты формата DAT (Digital Audio «Tape -цифровая аудиолента). Этот формат предложен фирмой Sony. Ширина ленты 3, 81 мм, толщина PC 2, 6 мкм, время записи от 15 до 125 мин.

В кассетах этих форматов выпускаются магнитные ленты различ­ного качества многими фирмами, такими как ЕМТЕС Magnetics, HBB, Maxell и др. Они отличаются технологией изготовления и временем хра­нения от 10 до 30 лет.

Диаметр жестких магнитных дисков для цифровой записи звука стандартизован и равен 3, 5" (89 мм). Диск имеет алюминиевую основу толщиной 1.. Л, 5 мм и магнитный слой толщиной 1...3 мкм. Емкость диска от 4 до 36 ГБ.

4.4. Характеристики канала записи-воспроизведения

При цифровой записи физические основы и расчетные формулы, включая выражение для горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Н_х, точно такие же, как при аналоговой записи. Однако при этом записываются сигналы значительно более высоких частот и, соответственно, используются большие скорости записи, чтобы волновые потери не были бы слишком большими. Необходимо также учитывать, что записывается сигнал с цифровой модуляцией, поэтому необходимо выполнение требований теоремы Котельникова в отношении тактовой частоты модулированного сигнала и максимальной частоты спектра запи­сываемого сигнала.

Запись производится магнитным полем критической зоны вблизи сходящей грани зазора ГЗ. Ширина зазора этой головки существенного влияния на плотность записи и волновые потери не оказывает.

Воспроизведение записи в магнитофоне осуществляется индукци­онной ГВ, поэтому выходной сигнал пропорционален производной маг­нитного потока по времени. Из этого следуют два важных следствия. Первое, из-за операции дифференцирования выходной сигнал не имеет прямоугольной формы, и представляется в виде узких двухполярных им­пульсов, которые называют характеристическими. Их максимумы сов­падают с фронтами входных прямоугольных импульсов, когда нет кор­рекции (рис. 21). Восстановление прямоугольной формы импульсов на

выходе обычно производится по моментам перехода воспроизводимого сигнала через нулевые значения. Реализуется это с помощью усилителя-ограничителя.

Второе, воспроизводимый сигнал сдвинут по фазе на я/2. По этой причине при отсутствии фазовой коррекции происходит смещение мо­ментов перехода выходного сигнала через нулевое значение на половину длительности входного импульса. Поэтому моменты перехода через нуль на входе и выходе не совпадают. Сдвиг воспроизводимого сигнала можно исключить, если использовать фазовую коррекцию с дополнительным углом сдвига л/2. Для этого производится дифференцирование воспроиз­веденного сигнала. Благодаря двойному дифференцированию фазовый угол между входным и выходным сигналами становится равным 2%. При такой фазовой коррекции моменты перехода через нуль входных и вы­ходных сигналов совпадают (рис. 21, низ).

Есть еще один важный фактор. Идеализированная головка воспро­изведения имеет АЧХ в виде прямой линии с наклоном +6 дБ/октаву, по­этому при аналоговой записи приходится вводить коррекцию для вырав­нивания частотной характеристики в области низких частот. Из-за диф­ференцирования воспроизводимого сигнала происходит спад АЧХ в об­ласти низких частот, поэтому низкочастотная коррекция АЧХ тракта воспроизведения в цифровых магнитофонах не нужна (рис. 22).

При воспроизведе­нии цифровой записи возникают все виды вол­новых потерь, как и в случае аналоговой запи­си. Физическая природа их возникновения одна и та же, поэтому они опи­сываются формулами, приведенными ранее в разд. 2. В отличие от аналоговой записи здесь важно иметь в виду, что частотные и фазовые искажения при цифровой звукозаписи. никакого влияния на частотную характеристику звукового тракта не оказывают. Они вызывают возникновение межсимвольной интерференции, смещения моментов перехода выходного сигнала через нулевое значение и приводят к кодовым ошибкам. Чем больше частотные и фазовые искажения в циф-

Рнс. 22. АЧХ головки воспроизведения (1-идеализированная ГВ, 2- с учетом волно­вых потерь, 3 - АЧХ с коррекцией)

ровом тракте, тем больше джиттер в виде дрожания фронтов импульсов и, следовательно, больше вероятность возникновения кодовых ошибок, вызывающие трески. Когда амплитуда джиттера превышает половину окна детектирования канального кода, декодирование становится невоз­можным. Поэтому, как и в аналоговых магнитофонах, волновые потери и фазовые искажения надо компенсировать с помощью коррекции.

При воспроизведении цифровой звукозаписи характеристические импульсы можно аппроксимировать различными функциями. Если а < 2S для аппроксимации удобно использовать функцию Гаусса

g(0i=^exp(-2r²/x²). (40)

Если а > 25, то лучше подходит функция вида

g(0₂=A/(l+/²), (41)

где А - амплитуда импульса, т - длительность входного импульса. При повышении плотности записи возникает перекрытие соседних характери­стических импульсов, которое часто называют межсимвольной интер­ференцией.

■.

Рис. 23 Межсимвольная интерференция при

воспроизведении цифровой записи

Оно происходит из-за того, что в те моменты времени, когда еще существует отрицательный импульс, возникает положительный импульс от следующего перехода намагниченности. В результате происходит ли­нейная суперпозиция импульсов, которая приводит к изменению момента

перехода выходного сигнала через нулевое значение (рис. 23). В результа­те длительности выходных импульсов в усилителе-ограничителе восста­навливаются неправильно и в канальном коде возникают кодовые ошиб­ки.

Для уменьшения межсимвольной интерференции необходимо вво­дить частотную коррекцию волновых потерь таким образом, чтобы в об­ласти высоких частот суммарная АЧХ головки воспроизведения была близка к АЧХ идеализированной ГВ с наклоном +6 дБ (рис.22). Надо также ограничить верхнюю границу полосы пропускания частотой F_o, при которой щелевая функция имеет первый минимум. Уменьшить меж­символьную интерференцию можно, используя более совершенные ка­нальные коды.