Ранние концепции видеомагнитофонов

В конце 50‑х годов была предложена концепция спирального сканирования. Это была намного более простая система по сравнению с поперечным сканированием, хотя первоначально все производители предложили конструкции с открытыми бобинами, несовместимые друг с другом. В магнитофонах еще не использовались кассеты, и они не были предназначены для домашнего просмотра.

В 70‑х годах Sony™ предложила свой стандарт U‑matic, который, обладая хорошими техническими показателями для своего времени и используя кассеты вместо открытых бобин, твердо обосновался в индустрии вещания.

В 1972 году Philips™ вышла на рынок со своим первым устройством N1500, ориентированным на рынок бытовой электротехники; это было новым этапом в развитии кассетных магнитофонов, но, к сожалению, этот видеомагнитофон продавался не слишком хорошо. Он позволял вести запись в течение одного часа и имел встроенный тюнер, таймер и радиочастотный модулятор. Все это было ориентировано на разработку проекта System 2000, но, к сожалению, в этот же период появилось цветное телевидение, и множество людей копили деньги, чтобы купить цветные телевизоры, а не кассетные видеомагнитофоны.

Рис. 8.2. Ранняя модель видеомагнитофона VHS

В начале 70‑х годов Matsushita™ и JVC™ вышли на рынок со своими конкурирующими предложениями, то есть, с домашней видеосистемой (VHS), a Sony™ в то же время предложила систему BETA. Таким образом, возникла ожесточенная конкуренция между System 2000, BETA и VHS. В их основах были заложены сходные, но, к сожалению, полностью несовместимые концепции.

В то время VHS стала наиболее популярной и широко востребованной системой на рынке бытовой видеотехники. С технической точки зрения VHS изначально была самой слабой системой по качеству, но она была намного проще остальных в изготовлении и дешевле.

За прошедшие годы множество усовершенствований позволили значительно улучшить ее качество по сравнению с тем, что она представляла собой изначально, и сегодня в системах видеонаблюдения, как и на рынке домашней видеопродукции, VHS используется более, чем в 90 % случаев. Как только VHS получила широкое признание, Sony вышла на арену со своим форматом 8 мм и затем с форматом Hi 8 мм, предлагая намного меньшие ленты и лучшее качество записи, a JVC™ тем временем выпустила свою систему Super VHS, соответствующую качеству Hi 8.

Как мы уже упомянули, для систем видеонаблюдения был разработан специальный тип кассетного видеомагнитофона VHS, так называемый time lapse видеомагнитофон. Именно поэтому в этой книге мы рассмотрим только концепцию VHS. Вероятно, мы проявим некоторую несправедливость к другим существующим форматам, подобным U‑Matic, Beta или 8, но время и место, которыми мы располагаем, позволяют сконцентрироваться только на том оборудовании, которое сегодня используется в большинстве систем.

Концепция бытовых видеомагнитофонов (VHS)

Спиральное сканирование – это концепция, в соответствии с которой головки располагаются на наклонном барабане, вращающемся со скоростью, равной частоте видеокадров, то есть 25 оборотов в секунду для системы PAL и 30 – для системы NTSC. Необходимая скорость движения ленты относительно головки достигается, главным образом, вращением головки барабана.

Первоначально в конструкции бытовых видеомагнитофонов (Video Home System – VHS) фактически использовались две видеоголовки, расположенные под углом 180° друг к другу. Они монтировались на вращающемся цилиндре, называемом барабаном видеоголовок. Таким образом, когда производится запись или воспроизведение, каждая головка записывает или воспроизводит одно телевизионное поле. Видеолента охватывает барабан на 180°, таким образом одна из двух видеоголовок всегда находится в контакте с лентой. Фактическая скорость ленты относительно неподвижных частей отсека, где помещается лента видеомагнитофона, составляет 2.339 см/с (система PAL), т. е. приблизительно вдвое меньше скорости ленты в аудиокассете. Для системы NTSC эта скорость несколько выше – 3.33 см/с.

Используемый в VHS формат ленты по ширине составляет 1/2" (12.65 мм), и, как это можно видеть из приведенного ниже рисунка, ширина каждой из наклонных дорожек составляет приблизительно 0.049 мм, а их длина равна примерно 10 см. На таком небольшом пространстве должна быть записана информация 312.5 строк системы PAL (и 262.5 строк системы NTSC).

Рис. 8.3. Барабан VHS с двумя видеоголовками

Когда вы задумаетесь об этом, вам станет понятно, насколько важно качество ленты – как магнитное покрытие, так и механическая целостность и износоустойчивость.

Кроме видеосигнала, который записывается на наклонных дорожках, на ленте также записываются: звуковой сигнал с помощью стационарной аудиоголовки в верхней части ленты и сигналы управления в ее нижней части. На видеосигнал, формируемый схемой видеомагнитофона, накладываются определенные ограничения. Для начала, конструкция записывающей системы VHS, включающая размер барабана видеоголовок, скорость вращения и качество видеоленты, определяет ширину полосы сигнала, который может быть записан на видеоленту.

Рис. 8.4. Кинематическая схема лентопротяжного механизма VHS

Когда видеосигнал поступает на входной каскад видеомагнитофона, он проходит сквозь низкочастотный фильтр с крутым срезом и значением верхней граничной частоты 3 МГц. Этот фильтр пропускает лишь информацию об яркости, в то время как информация о цветности выделяется фильтром из высокочастотной части того же сигнала. Такое вырезание сигнала яркости производится по причине того, что просто невозможно записывать больше информации. Все это – ограничения концепции VHS.

Из простого соотношения, которое мы приводили ранее, получаем, что 3 МГц соответствуют разрешающей способности по горизонтали в 240 ТВЛ. Фактически это является ограничением для цветного видеосигнала при воспроизведении. Отсюда становится ясно, что в современных системах видеонаблюдения именно видеомагнитофон почти всегда представляет собой наиболее узкое место в процессе достижения хорошего качества воспроизведения изображений.

При записи только сигналов черно‑белого изображения низкочастотная фильтрация может быть опущена, поскольку в этом случае отсутствует несущая сигнала цветности. В таких случаях фактическая разрешающая способность будет немного выше и может приближаться (в зависимости от качества ленты и видеомагнитофона) к 300 ТВЛ. Многие видеомагнитофоны имеют автоматические выключатели, позволяющие обойти этот фильтр, но в большинстве time lapse видеомагнитофонов для этого предусмотрен ручной переключатель.

Фактически видеосигнал яркости не записывается непосредственно в том виде, в каком он поступает, а модулируется так же, как это делается при записи звука. В VHS для яркости применяется частотная модуляция (ЧМ) с девиациями частоты, начиная с 3.8 МГц (соответствует самому низкому уровню – импульсам синхронизации) и до 4.8 МГц (соответствует максимальным значениям – уровню белого). Информация о цветности, поступающая со входа видеомагнитофона, записывается непосредственно после преобразования с понижением частоты, с несущей частотой 627 кГц и занимает спектральный диапазон 0… 1 МГц. Это становится возможным, потому что яркость частотно модулируется выше этой области.

В процессе дальнейшей разработки концепции системы VHS было выполнено множество усовершенствований. Были выпущены модели с четырьмя головками, был предложен режим длительного воспроизведения и значительно повышена стабильность режима паузы. Кроме того, в моделях Hi‑Fi было улучшено качество записи звука, которое изначально была очень низким при низкой скорости поперечной записи. Вместо первоначальных 40 Гц… 12 кГц полосы звуковых частот, с помощью аудиоголовок, расположенных непосредственно на барабане видеоголовок и вращающихся с той же скоростью, что и видеоголовки, записывается звук безукоризненного качества. При такой высокой скорости ленты относительно головок звуковая полоса пропускания была расширена до 20 Гц…20 кГц, и соотношение сигнал/шум существенно увеличилось – с 44 дБ до более 90 дБ. Звуковые каналы Hi‑Fi записываются не на отдельных дорожках, а в более глубоком слое ленты и с различным азимутальным углом записываемого частотно‑модулированного (ЧМ) сигнала. Поэтому такой тип записи называется мультиплексированная по глубине запись.

Даже несмотря на то, что были изготовлены более качественные ленты и видеоголовки, полоса частот видеосигнала не могла быть значительно расширена вследствие ограничений самой концепции. Принимая это во внимание, разработчики VHS представили новый улучшенный формат, названный Super VHS.

Рис. 8.5. Упрощенный чертеж: ленты VHS в масштабе 1:1 и схема записи

Рис. 8.6. Композитный видеосигнал

Рис. 8.7. Принцип VHS

Рис. 8.8. Принцип S‑VHS

Рис. 8.9. Структура ленты S‑VHS