Магнитная видеозапись

Магнитная видеозапись в современном телевидении является наиболее распространенным средством консервации телевизионных программ благодаря оперативности, большой информационной емкости и высокому качеству представления информации.

В основе магнитной видеозаписи лежат процессы, происходящие при взаимодействии магнитной ленты, перемещающейся относительно зазора магнитной головки, к обмотке которой подведен электрический сигнал U _C (рисунок 5.1). Под действием сигнала U _C в сердечнике видеоголовки возникает переменный магнитный поток, который вследствие большого магнитного сопротивления зазора замыкается через магнитный (рабочий) слой ленты. Магнитная лента плотно прижимается к головке, движется мимо зазора со скоростью V и намагничивается в соответствии с сигналом U _C, подводимым к обмотке видеоголовки.

Рисунок 5.1 – Взаимодействие головки и ленты при магнитной видеозаписи: 1– лавсановая основа ленты; 2 – магнитный слой; 3 – магнитный сердечник; 4 – сигнальная обмотка; 5 – магнитный зазор

В результате записи на магнитной ленте создается след в виде переменной намагниченности, называемый магнитной дорожкой. При записи, например, синусоидального сигнала с частотой f намагниченность ленты можно условно представить виде цепочки элементарных магнитов (рисунок 5.2), длина каждого из которых в два раза меньше длины волны на ленте λ записанного сигнала. Величины f, λ и V связаны между собой очевидным соотношением

λ = V / f. (5.1)

По отношению к различным частотам спектра записываемого видеосигнала магнитная головка ведет себя по-разному. Прежде всего отметим, что ширина зазора Δ магнитной головки выполняет роль своего рода апертурного

Рисунок 5.2 – К определению длины волны на ленте λ записанного сигнала

отверстия, ограничивающего максимальную частоту f _max, которая может быть записана на магнитную ленту. При соблюдении условия

Δ ≤ λ / 2 (5.2)

апертурные искажения не проявляются, т.е. обеспечиваются наилучшие условия для переноса магнитной энергии на ленту: в течение положительной полуволны сигнала намагничивается элементарный магнит «ю–с» («юг–север»), в течение отрицательной полуволны – магнит «с–ю». При увеличении ширины зазора Δ по сравнению с выражением (5.2) условия записи/воспроизведения сигнала ухудшаются, так как элементарный магнит длиною λ /2 сканируется (пересекается) зазором головки в течение промежутка времени, большего, чем полупериод сигнала. Наихудшие условия наступают при выполнении равенства

Δ = λ, (5.3)

когда каждый элементарный магнит в течение положительной полуволны сигнала намагничивается в направлении «ю–с», а в течение отрицательной полуволны – в направлении «с–ю». В результате на ленте записывается нулевой сигнал, т.е. имеет место самостирание.

Из выражений (5.1), (5.2) и (5.3) следует неравенство

V / (2Δ) ≤ f _max < V / Δ, (5.4)

согласно которому определяется максимальная частота f _max записываемого спектра видеосигнала. При выборе f _max по нижней границе неравенства (5.4)

f _max = V / (2Δ) (5.5)

апертурные искажения сигнала при записи (и воспроизведении) незначительны и не нуждаются в коррекции.

Из выражения (5.5) видно, что для увеличения f _max необходимо уменьшать ширину зазора видеоголовки и увеличивать скорость транспортировки ленты относительно зазора. Технология изготовления видеоголовок позволяет получить ширину зазора порядка 1 микрона (10 ^-6 м), что при полосе пропускания 6 МГц приводит к требуемой скорости лентопротяжки

V = 2Δ f _max = 12 м/с.

Такая скорость является слишком большой: невозможно создать надежно работающий лентопротяжный механизм (ЛПМ) при такой скорости движения ленты; слишком велики требования к прочности ленты; очень низка плотность записи информации на ленту; неприемлемо высок расход ленты (43, 2 км на часовую программу). По указанным причинам в современных видеомагнитофонах используется метод наклонно-строчной записи, при которой лента перемещается в лентопротяжном механизме с небольшой скоростью и прижимается по спирали к вращающемуся цилиндру, на котором установлены видеоголовки. Существует много стандартов (форматов) наклонно-строчной записи с числом видеоголовок от 1 до 4.

В настоящем пособии мы рассмотрим широко распространенный в бытовой видеотехнике формат VHS (Video Home System) в варианте, использующем блок вращающихся головок (БВГ) с двумя видеоголовками. Из рисунка 5.3 видно, что ось вращения БВГ наклонена к поперечному сечению ленты на некоторый угол, благодаря чему лента охватывает барабан 6 по

Рисунок 5.3 – Взаиморасположение магнитной ленты и барабана видеоголовок: 1 – лента; 2 – барабан видеоголовок; 3 – видеоголовка; 4 – направление движения ленты; 5 – направляющая; 6 – верхняя часть барабана (вращающаяся) и нижняя неподвижная соответственно

спирали на угол, несколько больший 180°, и прижимается к барабану направляющими 5. Две видеоголовки расположены на нижней кромке вращающейся части барабана под углом 180°. За один оборот БВГ головки записывают две рядом расположенные наклонные дорожки в направлении от нижнего к верхнему краю ленты. Динамические параметры ЛПМ и БВГ согласованы с параметрами видеосигнала таким образом, что на двух соседних дорожках записываются два поля одного кадра изображения. Такая организация процессов записи/воспроизведения позволяет легко осуществить режим «стоп-кадра» путем остановки продвижения ленты. В этом одно из существенных достоинств формата VHS и ему подобных.

На рисунке 5.4 показано взаимное расположение на ленте строчек и дорожек записи в стандарте VHS. Строки видеозаписи A и B отличаются друг

Рисунок 5.4 – Сигналограмма формата VHS (показаны две строки видеозаписи A и B): 1 – дорожки звукозаписи каналов I и II; 2 – дорожка канала управления

от друга тем, что они записаны разными видеоголовками; например, строка A записана первой видеоголовкой и содержит видеосигнал первого полукадра, а строка B записывается второй видеоголовкой и содержит видеосигнал второго полукадра. В отличие от рисунка 5.4, строки видеозаписи A и B расположены рядом (соприкасаются). При воспроизведении возможна перекрестная помеха – частичное считывание информации со смежной дорожки. Для устранения этого эффекта в формате VHS предусмотрена азимутальная запись, которая заключается в том, что зазор видеоголовки устанавливается не перпендикулярно к строке записи, а под некоторым углом, называемым азимутом.

В формате VHS азимуты двух видеоголовок выбраны разного знака и составляют +6° и -6°. При этом считывание возможно лишь в том случае, если запись и считывание сканируемой строки производятся видеоголовкой с одинаковым азимутом, а перекрестная помеха при этом исключается.

Приведем некоторые параметры формата VHS:

· скорость движения ленты 23, 4 мм/с;

· скорость записи (V) 4, 867 м/с;

· ширина ленты 12, 65 мм;

· диаметр БВГ 62 мм;

· скорость вращения БВГ 1500 об/мин;

· длина строки записи 97, 34 мм;

· ширина строки записи 49 мкм.

В формате VHS используется композитная запись преобразованным сигналом ПЦТС. Необходимость преобразования ПЦТС перед записью связана со следующими причинами. Известно, что магнитная головка обладает дифференцирующим свойством по отношению к воспроизводимому сигналу, т.е. амплитуда сигнала при считывании пропорциональна частоте сигнала. Причина этого в том, что ЭДС, наводимая в обмотке головки, пропорциональна скорости изменения магнитного потока в сердечнике, а она, в свою очередь, зависит от скорости изменения намагниченности вдоль ленты и уменьшается с ростом λ (см. рисунок 5.2).

В обычных условиях (магнитная звукозапись) стремятся скорректировать указанные искажения в сигнале воспроизведения, т.е. довести уровень низкочастотного сигнала до уровня высокочастотного, выровнять амплитудно-частотную характеристику канала воспроизведения. В телевидении, однако, это невозможно, так как на нижней частоте видеосигнала (50 Гц) ослабление, по сравнению с верхней частотой спектра (6 МГц), составляет 120 000 раз. При таком ослаблении НЧ-компоненты спектра опускаются далеко ниже уровня шумов усилителя и попытки выравнивания спектра приводят лишь к зашумлению сигнала.

Выход заключается в таком преобразовании спектра сигнала ПЦТС, при котором отношение верхней частоты спектра к нижней уменьшается до приемлемой величины (порядка 10÷ 13). Можно, например, перенести спектр ПЦТС с участка 0÷ 6 МГц в диапазон 0, 5÷ 6, 5 МГц. На практике, однако, поступают по-другому. Сигнал ПЦТС (рисунок 5.5, а) разделяется на яркост-

Рисунок 5.5 – Спектрограммы сигналов: а) ПЦТС в системе PAL; б) после преобразования для записи в формате VHS

ную и цветовую компоненты, полоса частот которых ограничивается уровне 3 МГц и ±0, 4 МГц соответственно. Затем сигналом яркости U _Y модулируется по частоте поднесущая, мгновенные значения которой изменяются в диапазоне частот 3, 8÷ 4, 8 МГц. Сигнал цветности с частоты поднесущей 4, 43 МГц переносится на частоту 626, 9 кГц и суммируется с преобразованным сигналом яркости (Y–ЧМ). Результирующий сигнал (рисунок 5.5, б) подается на головки для записи на магнитную ленту. При воспроизведении указанный сигнал после усиления и коррекции искажений подвергается обратному преобразованию с целью получения композитного сигнала PAL (правда, с уменьшенной полосой частот сигналов яркости и цветности).

Упрощенная структурная схема канала записи видеомагнитофона, работающего в формате VHS, приведена на рисунке 5.6. Схема не нуждается в особых пояснениях. Отметим только наличие вращающегося трансформатора, обеспечивающего бесконтактную связь видеоголовок со схемой формирования сигнала записи, а также тот факт, что для упрощения схемы сигнал записи подается одновременно на обе головки, при этом запись производится той головкой, которая в данный момент контактирует с лентой.

На рисунке 5.7 приведена упрощенная структурная схема канала воспроизведения видеомагнитофона. Предварительные усилители ПУ1 и ПУ2 позволяют выравнять уровни сигналов с двух головок и скомпенсировать

Рисунок 5.6 – Структура канала записи видеомагнитофона: ПФ – полосовой фильтр; ПЧ – преобразователь частоты; Г – гетеродин; ВТ – вращающийся трансформатор; ВГ – видеоголовки

волновые потери за счет дифференцирования головкой считываемого сигнала. Затем с помощью электронного коммутатора ЭК сигналы с двух головок объединяются в общий сигнал, при этом подавляется помеха с неработающей головки. ЭК управляется симметричным импульсным сигналом 25 Гц.

Рисунок 5.7 – Канал воспроизведения видеомагнитофона: ПУ – предварительный усилитель; ЭК – электронный коммутатор; КВ – компенсатор выпадений; ЧД – частотный детектор

В канале яркости после фильтра высокой частоты ФВЧ включен компенсатор выпадений КВ, который при пропадании сигнала в некоторой строке заменяет выпавшую строку сигналом предыдущей строки, запомненной с помощью линии задержки на строку.

На этом мы заканчиваем знакомство с принципом действия видеомагнитофона. Более подробное их изучение выходит за рамки курса «Основы телевидения».