ЗАПИСЬ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

Запись телевизионных сигналов в цифровой форме имеет ряд преимуществ перед записью аналоговых сигналов:

- при многократной перезаписи не накапливаются искажения;

- уменьшается влияние неидентичности и нестабильности аппаратурных характеристик на качество сигнала;

- облегчается обслуживание аппаратуры, так как отпадает необходимость в регулировании при эксплуатации.

Однако запись цифровых ТВ сигналов на магнитную ленту представляет сложную техническую задачу, что определяется необходимостью записи высокоскоростных цифровых потоков. Чтобы не увеличивать расход магнитной ленты, требуется на порядок (в 10 раз) увеличивать плотность записи. Это достигается в основном двумя способами: уменьшением длины волны записи и уменьшением ширины магнитных дорожек. С конструктивной точки зрения усложняется изготовление магнитных головок и повышаются требования к системам автоматического регулирования.

Запись цифровых данных на магнитный носитель требует преобразования сигнала в специальный цифровой код, подходящий для магнитной записи. Канал магнитной записи имеет свои особенности, которые и определяют требования к кодированию. Полосовой характер канала записи/воспроизведения требует согласованного с ним полосового характера энергетического спектра кодированного сигнала. При постоянстве намагниченности носителя сигнал на выходе магнитной головки воспроизведения отсутствует. Он возникает только при переходе намагниченности от одного направления к другому. Поэтому в записываемом сигнале нельзя допускать длинных последовательностей единиц или нулей. Спад АЧХ канала записи/воспроизведения сигналов в области нижних частот приводит к потере постоянной составляющей и к искажению формы плоской вершины импульсов, что ухудшает характеристики порогового обнаружения единиц и нулей. Спад АХЧ в области верхних частот приводит к затягиванию фронтов, что ограничивает скорость передачи информации. Кроме того, возможно нарушение действия систем АРУ, синхронизации и усилительных устройств.

При выборе канального кода стремятся к тому, чтобы он имел небольшой уровень низкочастотных составляющих спектра, обеспечивал неизменность постоянной составляющей и возможность самосинхронизации, т.е. выделения тактовых импульсов. В настоящее время известно множество кодов, из которых ни один не имеет решающих преимуществ перед другими. Поэтому международного стандарта на канальное кодирование не существует.

Рассмотрим три способа кодирования и записи цифровых данных на магнитный носитель:

- БВН – запись без возврата к нулю;

- ФМ – запись с фазовой модуляцией;

- ГК – запись с групповым кодированием.

Первый из них обеспечивает наименьшую плотность записи, последний – наибольшую. Эффективность обнаружения ошибок также возрастает в порядке перечисления.

Запись способом БВН (без возврата к нулю) состоит в том, что при записи единицы носитель записи перемагничивается до насыщения в одном из двух противоположных направлений (рис.10.31). Нуль представляет собой отсутствие перемагничивания в соответствующий момент времени.

1 1 1 0 0 1 0 1

Рис.10.31. Изменение намагниченности носителя при записи цифровых данных по способу БВН

Иначе говоря, единица определяет перепад тока записи (от положительного до отрицательного насыщения или наоборот), а нуль – сохранение тока записи. Для идентификации нулей используется синхросигнал.

1 1 1 0 0 1 0

Рис.10.32. Изменение намагниченности носителя при записи цифровых данных по способу ФМ

Запись способом ФМ (с фазовой модуляцией) состоит в том, что единица записывается перепадом тока записи в определённом направлении (положительном или отрицательном), а нуль – перепадом тока записи в противоположном направлении (соответственно отрицательном или положительном). При этом внешнего источника синхроимпульсов для идентификации нулей (или единиц) не требуется (рис.10.32).

Сравнивая способы записи БВН и ФМ отметим следующее. При использовании способа БВН запись одного бита всегда соответствует не более чем одному переходу потока, в то время как запись способом ФМ требует двух переходов, если записываемые уровни повторяются (1после 1 или 0 после 0). Следовательно, при записи способом ФМ требуется, чтобы лента допускала физическую плотность[1] записи в два раза больше, чем информационная. С другой стороны, при использовании способа записи ФМ каждая дорожка оказывается самосинхронизированной, благодаря чему устойчивая работа аппаратуры записи обеспечивается при относительно малом расстоянии между переходами потока. В способе записи БВН синхросигнал обычно вырабатывается из импульсов, воспроизводимых с разных дорожек, из-за чего плотность записи ограничивается динамическим перекосом ленты (угловыми перемещениями магнитной ленты относительно блока головок при транспортировании ленты). Динамический перекос приводит к рассогласованию сигналов, записанных на разных дорожках, вследствие чего приходится уменьшать плотность записи.

Способ записи с групповым кодированием (ГК) совмещает достоинства способов БВН и ФМ: запись одного бита соответствует одному переходу потока, и вместе с тем каждая дорожка самосинхронизирована. Это обеспечивает наивысшую плотность записи. Запись производится так же как и в способе БВН, но сигнал кодируется так, чтобы обеспечивалась возможность выработки синхросигнала для идентификации нулей из сигнала каждой дорожки. Четырехразрядные группы двоичных знаков по определенному правилу преобразуются в пятиразрядные, например, 0000 в 11001. Пятиразрядная группа создает не менее двух переходов потока на ленте, что и позволяет вырабатывать собственный синхросигнал для каждой дорожки.

Рассмотрим функциональные схемы каналов записи и воспроизведения цифровых сигналов (рис.10.33).

Входной аналоговый сигнал 1 от источника сигнала подвергают аналого-цифровому преобразованию и компрессии (сжатию) данных. На выходе кодера источника получают сигнал в виде импульсов двоичного кода. Этот сигнал подвергают перекодированию в кодере канала записи. При этом последовательность импульсов преобразуется в ряд параллельных последовательностей по числу каналов (дорожек) записи, а также вносится избыточность в передаваемую информацию, чтобы обеспечить устранение ошибок при воспроизведении. Полученный цифровой сигнал усиливают и записывают на магнитную ленту.

При воспроизведении сигнал усиливают, корректируют, производят обратные преобразования и исправление ошибок. Полученный цифровой сигнал (5) используют для цифро-аналогового преобразования (в декодере источника), после чего восстанавливается аналоговый сигнал, близкий к записываемому.

Рис.10.33. Сигналы и элементы каналов цифровой записи и воспроизведения: 1 – аналоговый сигнал; 2 – двоичный код; 3 – цифровой сигнал записи; 4 – цифровой сигнал воспроизведения; 5 – двоичный код; 6 – аналоговый сигнал

При формировании цифрового сигнала способом БВН длинные последовательности нулей (или единиц) устраняются методом скремблирования. Скремблирование (перемешивание) заключается в логическом сложении цифрового сигнала с псевдослучайной последовательностью. При этом длинные серии одинаковых символов приобретают структуру соответствующего отрезка псевдослучайной последовательности. В результате скремблирования код БВН рандомизируется, т.е. приближается по свойствам к случайному сигналу. Такой сигнал имеет в своем составе составляющие с тактовой частотой, которые отфильтровываются и служат для автоподстройки тактового синхрогенератора и для управления системой АРУ. При воспроизведении сигнала исходная структура цифрового сигнала восстанавливается. Для выполнения указанных преобразований в канале записи используется скремблер, а в канале воспроизведения - дескремблер.

Выпадения сигнала при магнитной записи приводят к снижению достоверности записи. Для защиты от ошибок при цифровой видеозаписи используют два способа: маскирование ошибок и коррекцию ошибок. Оба способа предполагают введение некоторой избыточности информации, позволяющей обнаружит наличие ошибки и исправить ее.

Метод маскирования ошибок аналогичен методу компенсации выпадений сигнала в аналоговых видеомагнитофонах. Производится проверка кодового слова на возникновение искажения, и при обнаружении искажения кодовое слово заменяется интерполированным кодовым словом предыдущей и последующей строк.

Метод коррекции ошибок обеспечивает точное восстановление потерянной информации. Это возможно при условии использования методов помехоустойчивого кодирования, широко используемых в технике связи. По определенному алгоритму кодовая комбинация дополняется проверочными символами, позволяющими не только обнаружить ошибку, но и восстановить кодовое слово без искажений. Чем эффективнее система защиты от ошибок, тем больше проверочных символов в единицу времени приходится вводит в сигнал, а это требует расширения полосы пропускания канала. Компромиссное решение проблемы состоит в том, чтобы получить необходимое качество изображения при приемлемой полосе пропускания. Структурная схема цифрового видеомагнитофона приведена на рис.10. 34.

На вход видеомагнитофона поступает аналоговый телевизионный сигнал. Он преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП, который производит дискретизацию по времени и квантование по уровню. Далее сигнал подвергается помехоустойчивому кодированию в кодере Кд и скремблированию в скремблере Ск. Синхрогенератор СГ обеспечивает систему записи сигналами управления (тактовыми, строчными и кадровыми импульсами). Эти импульсы вводятся в структуру записываемого цифрового сигнала через блоки буферных запоминающих устройств БЗУ1 и БЗУ2, которые управляются работой коммутаторов К1 и К2, переключаемых генератором импульсов ГИ. Цифровой сигнал сжимается во времени за счет различной скорости записи и воспроизведения в БЗУ (скорость считывания делается больше скорости записи). В выигранном интервале времени размещаются импульсы синхронизации. Цифровой сигнал вместе с тактовыми и синхронизирующими импульсами поступает на вход канального кодера КК. Сформированный код подается через усилитель записи на универсальную магнитную головку, осуществляющую запись на магнитную ленту.

В режиме воспроизведения преобразования сигнала осуществляются в обратном порядке. Считанный магнитной головкой сигнал через усилитель воспроизведения УВ поступает на декодер ДК и дескремблер ДС. В результате их действия канальный код преобразуется в исходную структуру сигнала. Для восстановления исходной скорости передачи скорость записи больше, чем скорость считывания. Частота считывания выбирается равной тактовой частоте входного сигнала, определяемой генератором тактовых импульсов ГТИ. Коммутаторы КЗ и КЧ служат для переключения БЗУ. В результате на декодер корректирующего кода ДкКК поступает непрерывный цифровой поток. В ДкКК обнаруживаются и корректируются ошибки. Процессы детектирования и декодирования синхронизируются тактовыми импульсами, выделенными из воспроизводимого кода. Преобразование цифрового сигнала в аналоговый происходит в цифроаналоговом преобразователе ЦАП. Аналоговый сигнал поступает на выход канала изображения.

Ряд узлов и блоков цифрового видеомагнитофона, не показанных на структурной схеме, осуществляют коррекцию искажений, характерных для записи на

магнитную ленту.

В соответствии с международным стандартом на параметры цифрового телевидения производится дискретизация раздельно яркостного сигнала Y и цветоразностных сигналов R-Y и В-Y. В стандарте 4:2:2 частоты дискретизации выбираются соответственно равными 13,5 и 6,75 МГц. При этом суммарный цифровой поток сигнала изображения составляет 216 Мбит/с. Для записи звукового сопровождения рекомендуется использовать четыре канала с частотой дискретизации 48 кГц. Суммарный цифровой поток звукого сигнала равен примерно 4 Мбит/с. Сведения о форматах цифровой записи приведены в параграфе 10.3 учебного пособия.

Рис.10.34. Структурная схема цифрового видеомагнитофона: АЦП – аналого-цифровой преобразователь; Кд – кодер; Ск – скремблер; СГ – синхрогенератор; БЗУ – буферные запоминающие устройства; К – коммутаторы; ГИ – генератор импульсов; КК – канальный кодер; УЗ – усилитель записи; УВ – усилитель воспроизведения; ДК – декодер; ДС – дескремблер; ГТИ – генератор тактовых импульсов; ДкКК – декодер корректирующего кода; ЦАП – цифроаналоговый преобразователь