Магнитная запись

Рисунок 3 - Процесс магнитной записи: запись без подмагничивания (а); запись с высококачественным подмагничиванием (б). 

 

5 Способы магнитной записи

Способы магнитной записи отличаются:

*направлением намагничивания

• продольное
• поперечное
• наклонное (или наклонно-строчное)

*режимом подмагничивания

• без подмагничивания - на ранее размагниченный носитель;
• с подмагничиванием
• постоянным полем - увеличивает чувствительность записи и расширяет динамический диапазон записи;
• переменным полем (высокочастотным подмагничиванием)- значительно уменьшает нелинейные искажения, расширяет динамический диапазон и увеличивает чувствительность записи.

 

 

6 Об аналоговой и цифровой записи

 

             Что лучше: аналоговая или цифровая запись? У той и другой есть свои поклонники и приверженцы. Но давайте все-таки разберемся в сути этих двух технологий, и рассмотрим принципиальные различия между ними.

Что такое аналоговая запись?

            Звук как таковой имеет аналоговую природу. Он распространяется в воздухе и при этом неизбежно искажается. На искажения звука оказывают влияние самые разные условия: расстояние от источника, скорость движения относительно него, особенности отражения от окружающих предметов и т.д.

           Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания в диапазоне от 20 Hz до 20 000 Hz. Однако далеко не каждый может похвастаться такими выдающимися слуховыми возможностями. Основная масса взрослых слышит частоты до 16 000-18 000 Hz. Стоит уточнить, что даже частоты выше 6 000-8 000 Hz обычно являются только дополнительными гармониками и призвуками.

           С другой стороны, качество записи во многом определяется как раз правильным воспроизведением гармоник и иных высокочастотных элементов.

           При аналоговой записи звуковая волна, попадая в микрофон, превращается в электрическое колебание, которое потом подается или на механический резец, если речь идее о виниловой пластинке, или на            магнитную головку, если запись производится на магнитную ленту.

           Чтобы воспроизвести звук, следует протянуть намагниченную ленту вдоль магнитной головки, причем скорость этого процесса должна быть равной скорости записи.

            В случае же с винилом для воспроизведения будет нужно прогнать иглу по канавке, в которой записана информация. Механические колебания будут преобразованы в электрические, которые передадутся в усилитель, а с усилителя соответственно в громкоговорители.

             При внимательном ознакомлении с вышеизложенным материалом вполне очевидно несовершенство аналоговой записи.

1) Записывая на магнитную ленту, следует побеспокоиться о качестве магнитной головки и учесть ее калибровку относительно ленты.

2) Неточности лентопротяжного механизма порождают непостоянство ее скорости.

3) Нельзя не упомянуть о способности ленты растягиваться, об изменениях ее характеристик на всем протяжении, о случайных посторонних частицах на ней и т.д.

4) В случае с виниловой пластинкой имеют место детонация, попадание пыли в канавки и всевозможные механические повреждения. Кроме того, канавка, так или иначе, деформируется после каждого проигрывания.

5)Ну и, наконец, стоит вспомнить, что практически невозможно сделать копию виниловой пластинки или магнитной записи без потери качества. Да и все аналоговые носители со временем стареют и теряют в качестве звучания, даже если их не использовать слишком часто.

Что такое цифровая запись?

        Для записи звука в цифровую форму достаточно простой фиксации значений звукового колебания, которое изменяется во времени, в числах с максимально возможной точностью.

Выборка

         Для понимания принципов цифровой записи разберемся в таком понятии, как выборка. Выборкой, или дискретизацией, называют значение сигнала в определенный момент времени в цифровом виде.

        Из-за непрерывных изменений аналогового сигнала во времени стает очевидной необходимость бесконечного количества выборок. Однако теорема Котельникова гласит, что сигнал может быть точно восстановлен из цифровых выборок, созданных с частотой, превышающей вдвое максимальную частоту этого сигнала.

        Например, у стандартного Audio CD частота дискретизации 44.1 kHz, а соответственно можно восстановить с большой точностью сигнал с частотами вплоть до 22.05 kHz, что уже превышает возможности человеческого уха.

      

Интерполяция

          Восстановление значений сигнала в промежутках между снятыми выборками называют интерполяцией. Этот процесс применяется при воспроизведении звука, который записан в цифровой форме. От качества интерполяции зависит качество восстановления сигнала.

         Восстановленный без применения интерполяции сигнал будет сильно отличаться от оригинала. Если же установить даже небольшой коэффициент интерполяции, то это прибавит сигналу куда большей схожести с оригиналом.

         Увеличивая коэффициент интерполяции, можно существенно увеличить и качество восстановления сигнала.

Разрядность

        Если копнуть глубже, становиться понятно, что создание выборки сигнала на нужной частоте – это только полдела. Нужно еще и зафиксировать значение с максимально возможной точностью или, как ее называют, разрядностью.

        Запись выборки сигнала будет тем точнее, чем выше будет разрядность, которая измеряется в битах.

        Если разрядность будет слишком низкой, например, 4 bit, то не спасёт даже высокий коэффициент интерполяции, и восстановленный сигнал будет ужасного качества.

         Но если тот же сигнал оцифровать с разрядностью, например 16 bit, то он будет практически неотличимым на слух от оригинала. Кстати, у стандартного Audio CD глубина разрядности как раз 16 bit.

         В студиях звукозаписи обычно применяют более высокие разрядности 24 и 32 bit, частоты дискретизации 48, 96 и даже 192 kHz, что объясняется необходимостью наличия максимально доступного цифрового качества, необходимого для дальнейшей обработки.

Цифровая запись

          Нельзя не упомянуть, что цифровая запись не подвержена старению или каким-либо другим временным изменениям. С нее можно создать сколько угодно копий с одинаковой точностью.

         Как можно заметить из всего вышесказанного, теория цифровой записи не подразумевает наличия каких-либо в ней изъянов. Давайте разберемся, что же происходит на практике.

1) Во-первых, для получения высокого качества требуется высококачественная оцифровка аналогового звука, которая главным образом зависит от качества АЦП – аналого-цифрового преобразователя. Высококлассный микрофон или дорогостоящие соединительные кабели не помогут в ситуации, когда качество работы АЦП оставляет желать лучшего.

       Запись отсчетов с недостаточной точностью, создание выборок с неравномерной частотой и т.п. приведут к получению звука, далекого по качеству от оригинала, и исправить это уже не удастся потом ничем.

2) А во-вторых, оцифрованный звук нужно ведь еще и качественно воспроизвести, что возможно только при наличии качественного ЦАП – цифро-аналогового преобразователя.

       Из-за неравномерной частоты дискретизации, недостаточной точности или отсутствия интерполяции звук испортится так, что никакая современная акустическая система этого не компенсирует.

      Таким образом, можно понять что, на качество цифровой записи и воспроизведения главным образом влияет качество преобразователей.

       Преобразователи, встроенные в современные (причем, отнюдь не в самые дешёвые) аудиоинтерфейсы, в своей основной массе не способны выдавать действительно высококачественный звук и по этой причине многие отдают предпочтение аналоговой записи.

         Но, всё же, резюмируя вышесказанное, стоит отметить, что цифровая запись обладает определёнными и достаточно выраженными преимуществами, по сравнению с аналоговой.

         Хотя на практике для получения действительно качественного цифрового звука нужно потратить немало средств на высококачественные преобразователи.

 

 

 

7 Шум носителя магнитной записи.

Напряжение сигнала помехи, возникающего в канале воспроизведения магнитной записи при движении магнитного носителя. ШНМЗ в общем случае изменяется хаотически и содержит все частоты диапазона частот, передаваемого каналом воспроизведения. Его величина и значения частотных составляющих зависят от свойств носителя и условий записи и воспроизведения и могут изменяться в широких пределах.  
 
       ШНМЗ вносит основной вклад в результирующий шум аналоговой системы магнитной записи, который в зависимости от качества носителя может изменяться на 10-20 дБ, и представляет собой одно из важнейших ограничений динамического диапазона аналоговой магнитной записи.  
 
       В аналоговой записи звука ШНМЗ проявляется как "шероховатость", шипение и потрескивание при воспроизведении звука и характеризуется шумом паузы и шумом намагниченного.  
 
       В аналоговой видеозаписи ШНМЗ вызывает мерцание, хаотическое нарушение яркости по всем элементам ТВ растра. Такие помехи снижают четкость и контраст изображения. Возникая на границе черного и белого участков изображения, мерцание снижает резкость границы.  
 
       В аналоговой видеозаписи ШНМЗ характеризуется отношением сигнал/шум яркости и отношением сигнал/шум цветности. Введение двух значений отношения сигнал/шум отдельно для сигналов яркости и цветности объясняется тем, что указанные сигналы записываются в разных диапазонах частот и соответственно длин волн записи, а возникающие в этих диапазонах помехи могут иметь различный удельный вес. При этом помехи, действующие в полосе сигнала цветности, т.е. на цветном изображении, могут не наблюдаться на изображении, содержащем только яркостный сигнал, если, например, в телевизоре выключить цвет. В полосе сигнала цветности большее значение приобретают помехи, не связанные со свойствами собственно носителя записи, например, перекрестная помеха от длинноволновых составляющих сигнала при азимутальной записи.  
 
         Природа ШНМЗ объясняется неоднородностью его структуры, существованием в носителе агломератов частиц магнитного порошка и микрошероховатостью поверхности. Различают шум размагниченного и намагниченного носителя. Последний возрастает пропорционально намагниченности и значительно выше шума размагниченного носителя (может превышать его на 20 дБ и более). Если неоднородность структуры и (или) поверхности носителя характеризовать некоторой безразмерной случайной функцией x, а его намагниченность - величиной М_r, то шум намагниченного носителя пропорционален произведению x х М_r. При М_r=0 шум намагниченного носителя равен нулю, и в канале воспроизведения действует только сравнительно небольшой шум паузы или шум размагниченного носителя, обусловленный дискретностью его магнитной структуры. Произведение x х Мr иллюстрирует увеличение шума намагниченного носителя с ростом как намагниченности, так и неоднородности, характеризуемой величиной x, т.е. показывает его зависимость от технологии изготовления носителя.  
 
            При видеозаписи основное значение имеет шум намагниченного носителя, поскольку последний намагничивается током ЧМ-видеосигнала как во время записи изображения, так и в отсутствие изображения (белое поле на экране телевизора при воспроизведении записи), когда на носителе записывается только ЧМ-несущая. На пиках записанного ЧМ-видеосигнала, имеющих наибольшую остаточную намагниченность, флюктуации намагниченности, обусловливающие ШНМЗ, имеют максимальную величину. Они сказываются и на флюктуациях "нулевых пересечений записанного сигнала", вызывая появление шумов на изображении при воспроизведении записи.  
 
           Увеличение шума при намагничивании носителя, возможно под воздействием посторонних магнитных полей, выдвигает ряд требований к условиям эксплуатации и хранения магнитных лент. Целесообразно, например, время от времени размагничивать стальные детали лентопротяжного тракта аппаратуры записи: ведущий вал, направляющие колонки и др., которые могут быть намагничены в результате случайного прикосновения намагниченным инструментом, а при определенных условиях - и под воздействием намагниченного носителя. Размагничивание производится размагничивающим дросселем.  
 
             При копировании аналоговых звуко- и видеозаписей уровень ШНМЗ в копиях возрастает. Так, например, если отношение сигнал/шум яркости при воспроизведении оригинала видеозаписи равно 48 дБ, то а первой копии оно примерно на 2 дБ меньше, т.е. 46 дБ; в копии, полученной с первой копии, - 44 дБ и т.д. В цифровой видеозаписи рост шума при последовательном копировании не происходит.  
 
            ШНМЗ пропорционален квадратному корню из ширины дорожки записи. Например, при увеличении ширины дорожки в 2 раза, ШНМЗ и отношение сигнал/шум увеличиваются в 

 раз, т.е. приблизительно на 3 дБ (поскольку величина полезного сигнала пропорциональна ширине дорожки записи).  
 
8 Шумопонижение.

             Улучшение качества аналоговой записи звука и изображения путем снижения помех и расширения динамического диапазона передачи. Обычно задача ШП состоит в снижении помех, обусловленных наиболее "шумящим" элементом тракта передачи - носителем информации. ШП достигается специальной обработкой сигнала в канале записи и (или) в канале воспроизведения. ШП, выполняемое только в канале воспроизведения, имеет то достоинство, что может улучшать уже имеющиеся записи, полученные без ШП. Однако более эффективны системы ШП, в которых данный сигнал подвергается обработке как при записи, так и при воспроизведении. Принцип их действия заключается в том, что в канале записи сигнал перед тем, как его зарегистрировать на носителе, подвергают компрессии: динамический диапазон сигнала сужают за счет большего усиления слабых сигналов по сравнению с сильными. При этом поднятый уровень слабых сигналов оказывается завышенным и по отношению к уровню шума носителя, т.е. уровень шума носителя занижается. В канале воспроизведения сигнал подвергают обратному преобразованию - экспандированию, при котором сильные сигналы усиливаются в большей степени, чем слабые. При этом исходный баланс между слабыми и сильными сигналами восстанавливается, а уровень шума носителя сохраняется заниженным.  
 
          Несколько вариантов систем ШП для аналоговой магнитной записи звука, основанных на указанном принципе, разработаны английским изобретателем Долби и получили его имя. Широкое распространение в бытовой аппаратуре магнитной записи, в частности, в кассетных магнитофонах, приобрела относительно простая система Dolby-B, где компрессию при записи и экспандирование при воспроизведении выполняет одно и то же переключаемое устройство, что позволяет точно сбалансировать эти процессы, упрощает стандартизацию и конструкцию магнитофона. Компрессия и экспандирование, т.е. ШП, в системе Dolby-B происходят только в области частот выше 500 Гц, в которой шум носителя наиболее ощутим. На рисунке приведены характеристики усиления слабых сигналов при записи (поднимающаяся кривая) и их ослабления при воспроизведении (ниспадающая кривая). Система Dolby-B па частоте 5000 Гц и выше обеспечивает ШП на 10 дБ.  
 
         Следует отметить, что если запись, полученную на магнитофоне с ШП, воспроизводить на магнитофоне без ШП, то улучшения качества звукопередачи может не произойти, а в некоторых случаях оно может и ухудшиться. 

 
 
Рисунок 4 - Амплитудно-частотные характеристики усиления слабых сигалов при записи (кривая 1) и их ослабления при воспроизведении (кривая 2) в системе шумопонижения.