Запись цифровых сигналов

Общие сведения. Качество современной аналоговой магнитной записи достигло высокого уровня, но ей свойственны недостатки, устранение которых с помощью аналоговой техники трудноосуществимо, а иногда принципиально невозможно.

Запись ТВ сигналов в цифровой форме имеет ряд существенных преимуществ перед методом записи аналоговых сигналов. В первую очередь это возможность многократной перезаписи без накопления искажений. Если в аналоговых видеомагнитофонах уже при третьей-четвертой перезаписи растет уровень муара, увеличиваются линейные и нелинейные искажения сигнала, ухудшается отношение сигнал/помеха, то в цифровой видеозаписи число перезаписей одного и того же сюжета на магнитную ленту может быть многократно увеличено (до нескольких десятков раз) без существенного снижения качества изображения.

В цифровых видеомагнитофонах, так же как и в других цифровых системах, меньше влияние неидентичности и нестабильности аппаратурных характеристик на качество сигнала. Облегчается обслуживание аппаратуры, так как не требуются регулировки и подстройки при эксплуатации. Одно из основных преимуществ цифровой записи обусловлено тем, что она практически не подвержена влиянию погрешностей, вызванных движением головок относительно ленты. Эти погрешности проявляются в системах аналоговой видеозаписи и вызывают повышение уровня шума, некоторую нестабильность изображения. Даже в тщательно настроенных системах аналоговой видеозаписи ухудшается резкость контуров и границ изображения в результате неравномерного вращения блока видеоголовок. Кроме того, малейшая деформация ленты, представляющая собой гибко-упругий элемент, приводит к взаимному смещению записанных участков.

При цифровой записи происходит исключение вредных эффектов, связанных с движением ленты и головок, так как в аналого-цифровом преобразовании при дискретизации аналоговый сигнал получает форму последовательных очень коротких импульсов-отсчетов, нестабильность уровня которых не сказывается на передаче сигнала. В результате в цифровых системах записи и воспроизведения изображения оказываются стабильными, очень четкими и почти лишенными шума.

Запись цифровых ТВ сигналов на магнитную ленту является технически сложной задачей. Сложность в первую очередь заключается в необходимости записи высокоскоростных цифровых потоков. Запись больших цифровых потоков при том же расходе ленты, как при аналоговой записи, требует значительного увеличения поверхностной плотности записи (примерно в 10 раз). Если в студийном аналоговом видеомагнитофоне для записи видеосигнала с полосой частот 6,5 МГц требуется записывать ЧМ сигнал полосой частот около 12 МГц, то в цифровом видеомагнитофоне прямая запись цифрового сигнала без применения различных методов компрессии требует полосы частот более 120 МГц. Созданы цифровые видеомагнитофоны с уменьшенной длиной волны записываемого сигнала и высококачественной магнитной лентой с уменьшением ширины магнитных дорожек. Освоены технологии изготовления высококачественных головок и эффективные системы автоматического регулирования. В настоящее время цифровые видеомагнитофоны обеспечивают более высокие технико-эксплуатационные характеристики, чем аналоговые.

Качество цифровой видеозаписи характеризуется достоверностью записи, определяемой вероятностью появления ошибки (сбоя). Ошибки могут быть одиночными, вызванными действием помех в канале записи-воспроизведения, и групповыми (пакеты ошибок), обусловленными выпадением сигнала.

Структурная схема канала записи-воспроизведения цифрового видеомагнитофона. Для записи цифрового сигнала на магнитную ленту необходимо предусмотреть ряд мероприятий, связанных со структурой ТВ сигнала. Аналоговый видеомагнитофон записывает циклические сигналы. Все его следящие системы и устройства коммутации работают от строчных и кадровых синхронизирующих импульсов. В цифровой последовательности эти сигналы отсутствуют, поэтому для нормальной работы видеомагнитофона сигналы синхронизации следует включить в структуру цифрового сигнала. Кроме того, записанный сигнал должен содержать импульсы тактовой частоты следования двоичных символов, которые после выделения и воспроизведения обеспечат правильное декодирование цифрового сигнала. Спектр записываемого сигнала должен быть согласован с полосой пропускания канала изображения видеомагнитофона. При цифровой магнитной видеозаписи используют различные методы цифровой модуляции, в том числе частотную модуляцию, или канальное кодирование. Следует учесть, что из методов модуляции цифровых сигналов применим тот, который обеспечивает выделение импульсов тактовой синхрочастоты непосредственно из записанного цифрового сигнала.

Так как цифровая магнитная запись осуществляется распараллеливанием цифрового потока, структура цифрового видеомагнитофона в основном определяется числом необходимых каналов записи-воспроизведения. Число каналов записи определяется скоростью и плотностью записи. На существующих магнитных лентах для записи аналоговых сигналов плотность записи выше 2 кбит/мм получить затруднительно. В металлопорошковых или металлизированных лентах можно получить плотность записи 3 кбит/мм с достаточно высоким отношением сигнал/помеха при ширине дорожки записи 12,5 мкм. Если считать, что скорость записи не должна превышать предельную скорость 50 м/с при плотности записи 3 кбит/мм, то оказывается возможным использовать два канала записи. При повышении скорости записи выше 50 м/с увеличиваются износ головок и центробежные усилия в блоке головок. Естественно стремление к уменьшению числа каналов записи, так как каждый дополнительный канал записи усложняет электронную часть видеомагнитофона, добавляя системы защиты от ошибок, канального кодирования, синхронизации и т.д. Звуковые сигналы могут записываться на тех же дорожках, которые служат для записи видеосигнала. В этом случае используется общий тракт записи и канального кодирования. Между видеосигналом и звуковым сигналом, а также между каждым из звуковых сигналов оставляются небольшие интервалы, во время которых коммутируются токи записи и стирания в процессе монтажа. Канальное кодирование существует для согласования с каналом записи-воспроизведения. При магнитной записи это означает, что энергетический спектр телевизионных сигналов преобразуется в соответствии со спектральными характеристиками ограниченного по частоте канала записи-воспроизведения, который может быть представлен в виде полосового фильтра. При оптимальном согласовании сигнал проходит по ограниченному по частоте каналу с минимальными искажениями.

Формирование входного сигнала цифрового видеомагнитофона в соответствии с рекомендацией на цифровой код студии способом БВН (без возврата к нулю). При этом методе носитель записи перемагничивается до насыщения в двух противоположных направлениях – при переходе к 1 или 0. Однако этот код не может быть использован непосредственно для записи на магнитную ленту. Это связано с тем, что АЧХ канала записи-воспроизведения имеет спад в области верхних и нижних частот. Спад в области низких частот обусловлен дифференцирующим действием магнитной головки индукционного типа и наличием вращающегося трансформатора. Спад в области высоких частот обусловлен в основном волновыми потерями (щелевыми, контактными, алойными). Поскольку исходный код БВН может содержать длинные последовательности 1 и 0, то постоянная составляющая кодовой последовательности изменяется в больших пределах: от 0 до 100 % размаха сигнала. Если такой сигнал записать, то при воспроизведении возникнут большие искажения в форме импульсов из-за подавления низкочастотных компонентов. Искажения проявляются в протяженных однополярных последовательностях импульсов и в смещениях средней линии сигналов в результате потери постоянной составляющей. Это исключает пороговое обнаружение 1 и 0 в воспроизводимом сигнале, поэтому делает код БВН непригодным для записи. Исходя из этого вытекают основные требования, предъявляемые к выбору канального кода: длительность непрерывных последовательностей 1 и 0 должна быть минимальной для обеспечения самосинхронизируемости кода, т.е. возможности выделения из нее тактовой частоты; спектр должен иметь неизменную постоянную составляющую и небольшой уровень низкочастотных составляющих; энергетический спектр кода должен иметь полосовой характер, согласующийся с полосой пропускания канала записи-воспроизведения, и др.

Реальные цифровые сигналы могут содержать в некоторые моменты времени длинные серии одинаковых символов – единиц или нулей. В этом случае нарушается работа систем АРУ, тактовой синхронизации и усилительных устройств с реактивными разделительными элементами. Это вызвано тем, что в сигнале отсутствуют изменения в каждом такте элементов сигнала, которые используются для подстройки перечисленных устройств, что приводит к увеличению фазового дрожания цифрового сигнала и даже к полному нарушению синхронизации приемного устройства.

Для устранения длинных последовательностей 0 и 1 в исходном коде БВН производится так называемое скремблирование (перемешивание), которое заключается в логическом сложении цифрового сигнала с псевдослучайной последовательностью сигналов (ПСП). В этом случае длинные серии одинаковых символов сигнала приобретают структуру соответствующего отрезка ПСП. При скремблировании передаваемый сигнал независимо от свойств источника приобретает структуру, близкую к случайной, а код БВН – приближается по свойствам к случайному сигналу (рандомизируется), т.е., имея неслучайную природу генерирования, отвечает всем свойствам псевдослучайных сигналов. Такой сигнал имеет в своем составе составляющие с тактовой частотой, которые отфильтровываются и служат для автоподстройки тактового синхрогенератора и для управления системой АРУ. Скремблер – устройство для преобразования структуры цифрового сигнала без изменения скорости передачи символов этого сигнала для приближения его свойств к свойствам случайного сигнала. При воспроизведении применяется дескремблер – устройство, предназначенное для восстановления исходной структуры цифрового сигнала, преобразованной скремблером. Скремблирование может также использоваться в сочетании с определенным видом канального кодирования, а также является эффективным средством согласования цифрового сигнала с характеристикой канала, но при этом закон перемешивания должен быть жестко задан.

В настоящее время известно множество кодов, применяемых в цифровой магнитной записи. Каждый из них в той или иной степени соответствует поставленным требованиям. Однако нельзя выделить какой-то один код, который имел бы явные преимущества по сравнению с другими, поэтому, де-факто, существует несколько общепризнанных международных стандартов на канальное кодирование. В цифровых видеомагнитофонах используются различные канальные коды, удовлетворяющие частным требованиям разработчиков. Основным фактором, влияющим на снижение достоверности записи, является выпадение сигнала. Для защиты от ошибок в цифровой видеозаписи используют два способа: маскирование ошибок и коррекция ошибок.

Метод маскирования ошибок аналогичен методу компенсации выпадения сигнала в аналоговых видеомагнитофонах и сводится к обнаружению искаженного кодового слова и замене его интерполированным кодовым словом предыдущей и последующей строк. Таким образом возможно маскирование и внутри строки. Однако при многократной перезаписи маскирование не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к качеству изображения, что сводит на нет основное преимущество цифровой видеозаписи. В связи с этим наряду с маскированием широко применяется коррекция ошибок, обеспечивающая точное восстановление потерянной информации методами помехоустойчивого кодирования, которое предполагает введение избыточности при кодировании. Коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки, широко используются в технике связи. Суть их заключается в следующем. Предназначенная для передачи кодовая комбинация дополняется в соответствии с определенным алгоритмом проверочными символами, которые располагаются в определенной последовательности. Отсюда следует: чем эффективнее система защиты от ошибок, тем большее количество информации необходимо передать. Но для этого следует увеличивать число символов, передаваемых в единицу времени, которое ограничено конечной полосой пропускания канала. Необходимость поиска компромисса между степенью коррекции ошибок, обеспечивающей необходимое качество изображения, и компрессией цифровых сигналов, позволяющей сократить объем данных при заданной пропускной способности канала ведет к появлению новых форматов цифровой видеозаписи. На начало 2002 г. известно около двух десятков цифровых форматов записи ТВ сигналов на магнитную ленту, из которых наиболее широко распространены форматы семейства DV, DVCAM, DVCPRO, DVCPRO50, а также Digital Betacam, Betacam SX (табл. 18.1).

Упрощенная структурная схема цифрового видеомагнитофона формата D2 показана на рис. 18.17. На вход видеомагнитофона поступает аналоговый композитный полный цветовой телевизионный сигнал и в АЦП преобразуется в цифровой. Далее, цифровой сигнал подвергается помехоустойчивому кодированию в кодере Кд и скремблированию в скремблере Ск. Синхрогенератор (СГ) обеспечивает систему записи необходимыми сигналами управления. Для введения синхроимпульсов в структуру записываемого цифрового сигнала служат блоки буферных запоминающих устройств с последовательным доступом БЗУ₁ и БЗУ₂ (если используются ЗУ с произвольным доступом записи и считывания, объем требуемой буферной памяти может быть уменьшен вдвое). Цифровая последовательность в БЗУ подвергается сжатию во времени. Цифровой сигнал сжимается благодаря различной скорости записи и воспроизведения его с БЗУ. Действительно, если скорость считывания информации с БЗУ больше скорости записи, то в выигранном интервале времени можно разместить импульсы синхронизации.

Работой БЗУ₁ и БЗУ₂ управляют два коммутатора К₁ и К₂, связанные с генератором импульсов (ГИ). Тактовые импульсы, необходимые для работы БЗУ, вырабатывает специальный генератор тактовых импульсов (СГ). Цифровой сигнал вместе с тактовыми и синхронизирующими импульсами поступает на вход канального кодера (КК), с помощью которого согласуются характеристики записываемой информации с характеристиками канала записи-воспроизведения. Канальный кодер выполняет те же функции, что и модулятор в обычном аналоговом видеомагнитофоне.

Сформированный код подается на усилитель записи УЗ, и сигнал записывается на магнитную ленту универсальной головкой.

В режиме воспроизведения происходит преобразование цифрового сигнала в аналоговый в обратном порядке. После усиления в У цифровой сигнал поступает на декодер Дк и дескремблер Дс, преобразующий канальный код в исходную структуру сигнала. Для восстановления исходной скорости передачи используются блоки БЗУ₃и БЗУ₄, работающие поочередно. Скорость записи информации в них больше, чем скорость считывания, причем частота считывания выбирается равной тактовой частоте входного сигнала. В результате такой работы БЗУ₃ и БЗУ₄ цифровой поток вновь оказывается непрерывным. Коммутаторы К₃ и К₄ предназначены для переключения БЗУ, а генератор тактовых импульсов ГТИ – для выборки информации из БЗУ с тактовой частотой.

Таблица 18.1

Рис. 18.17 Структурная схема цифрового видеомагнитофона

После БЗУ цифровой сигнал поступает на декодер корректирующего кода (ДкКК), в котором обнаруживаются и корректируются ошибки. Процессы детектирования и декодирования синхронизируются тактовыми импульсами, выделенными из воспроизводимого кода. В заключение в ЦАП происходит преобразование цифрового сигнала в аналоговый, после чего он поступает на выход канала изображения.

В канале воспроизведения синхроимпульсы с помощью специального устройства отделяются от общего цифрового сигнала и подаются в соответствующие цепи управления. На структурной схеме не показан целый ряд узлов и блоков цифрового видеомагнитофона, предназначенных для коррекции искажений, как цифрового сигнала, так и искажений, характерных для записи на магнитную ленту.

Исследования в области цифровой записи телевизионных сигналов позволили МККР принять рекомендации на некоторые параметры цифровой записи. Исходя из международного стандарта на параметры цифрового телевидения предусматривалась дискретизация раздельных яркостного и цветоразностных сигналов и с частотами 13,5 и 6,75 МГц соответственно (стандарт 4:2:2). В этом случае суммарный цифровой поток сигнала изображения равен 216 Мбит/с при 8 битах на один отсчет. Для записи звукового сопровождения рекомендовалось использовать четыре канала с частотой дискретизации 48 кГц, квантованные равномерно при 20 разрядах на отсчет. Суммарный цифровой поток звукового сигнала равен примерно 4 Мбит/с.

В 1986 г. на пленарном заседании МККР был утвержден формат цифровой видеозаписи D1. Рассмотрение принципов работы этого формата позволяет разобраться в существе технических решений, которые лежат в основе функционирования систем цифровой магнитной записи.

В формате D1 телевизионный сигнал и звуковые сигналы записываются на одной наклонно-строчной магнитной дорожке. Записываются только активные строки по 300 строк в каждом поле для стандарта 625/50 и по 250 строк в каждом поле для стандарта 525/60. Число отсчетов изображения, приходящихся на активную часть телевизионной строки, равно 720 для сигнала яркости E'_Y и 2x360 для цветоразностных сигналов и - Одно телевизионное поле в системе 625/50 записывается на 12 дорожках (в 24 видеосекторах или шести сегментах), а в системе 525/60 – на 10. Звуковое сопровождение записывается в 48 звукосекторах, образующих три сегмента.

Используется магнитная лента шириной 19,01 мм. Магнитный слой образован из окиси металла, он позволяет записывать сигнал с минимальной длиной волны 0,9 мкм. Продольная плотность записи 2,2 кбит/мм. На магнитной ленте располагаются три продольные дорожки (рис. 18.18). Первая дорожка шириной 0,7 мм предназначена для записи сигналов монтажа звукового сопровождения для слухового поиска фрагментов фонограммы. На второй дорожке записывается цифровой сигнал адресно-временного кода, ширина дорожки 0,5 мм. И наконец, на третьей дорожке записывается цифровой сигнал управления, ширина дорожки 0,3 мм.

На магнитной ленте под углом 5°24'02" к базовому краю расположены дорожки записи шириной 40 мкм (защитный промежуток 5 мкм) и длиной 170 мм, на которых записываются видео- и звуковые сигналы. Любая наклонная дорожка содержит два видеосектора, каждый длиной 77,79 мм, а также четыре звукосектора в центральной части шириной по 2,56 мм и с промежутком 1,24 мм, а затем снова видеосектор. В стандарте разложения 625 строк на 12 дорожках (одно телевизионное поле) размещается 24 видеосектора и 48 звуковых секторов. При таком расположении информации влияние растяжения и механических повреждений магнитной ленты на качество воспроизводимого звука минимально. Скорость перемещения магнитной ленты 286,9 мм/с.

Рис. 18.18. Формат записи D1 компонентного цифрового ТВ сигнала

При внедрении цифровой записи в технологию видеопроизводства важно обеспечить возможность цифровой обработки ТВ сигналов в любом из существующих в настоящее стандартах, в том числе для разных частот разверток. В этом случае обеспечивается совместимость стандартов разверток при записи и воспроизведении в международном масштабе.

Рассмотрим, как достигается это требование в цифровых видеомагнитофонах. Как известно, плотность записи определяется продольной и поперечной плотностями записи и выражается соотношением . где т – коэффициент плотности записи, бит/мкм', h – шаг записи, мкм: если обозначить через с скорость записи сигнала, бит/с, то зная расход носителя записи р, мкм/с, получим . В этом случае длина дорожки, мкм, необходимая для записи временного интервала, равного длительности одного ТВ поля с частотой , будет . Если в это выражение подставить реальные значения, то получим длину записи одного ноля L, равную нескольким метрам. Отсюда следует, что реализовать компонентную магнитную запись цифрового сигнала возможно только путем сегментации на S наклонных дорожек записи или разделения сигнала на N параллельных каналов. Следовательно, длина отдельной дорожки записи . Если принять, что скорость записи с соответствует Рекомендации МККР 11/601 по компонентному цифровому кодированию, число каналов N постоянно (число головок записи и воспроизведения постоянно), а частота полей равна 50 и 60 Гц. необходимо соблюдение соотношения – Наличие одинакового чиста сегментов с различной плотностью записи m в системах 625/50 и 525/60 нецелесообразно, так как это приводит к увеличению расхода носителя, вызывает конструктивные трудности, изменяется полоса частот в системах 625/50 и 525/60, а это предъявляет различные требования к коррекции. Поэтому продольная плотность записи сохраняется постоянной величиной, а требование совместимости системы 625/50 и 525/60 реализуется изменением числа сегментов в отношении 6:5.