2.3. Звукозапись

Значительная, а может быть и большая, часть всей музыки в настоящее время приходит к слушателям с помощью звукозаписи. Даже музыка, передаваемая по радио, почти полностью воспроизводится с грампластинок. Поэтому звукозапись является важной областью применения техники звуковоспроизведения, так как она во многом определяет качество сигнала, воспроизводимого в доме.

2.3.1. Цифровые магнитофоны

Студийная запись музыки сейчас практически полностью выполняется на нескольких дорожках, причем на каждой дорожке записывают партию одного исполнителя или группы исполнителей. Кроме того, отдельные части музыкального произведения могут быть записаны в разное время. Для создания окончательной записи могут потребоваться разрезание и склейка пленки, а также перезапись исходного материала с многих отдельных дорожек. Каждое проигрывание магнитной записи на обычном аналоговом магнитофоне приводит к ухудшению сигнала, и окончательная запись содержит сумму всех помех и искажений, внесенных на каждом этапе редактирования и монтажа (микширования) записей.

Преимущества цифровой магнитной записи легче заметить, проанализировав свойства обычных аналоговых систем. Студийные магнитофоны основаны на тех же принципах, что и бытовые, но имеют гораздо большую надежность. Тонкая лента, покрытая магнитным материалом, на постоянной скорости протягивается возле записывающей головки. Головка представляет собой электромагнит, спроектированный так, что его магнитное поле концентрируется в узком зазоре, с которым соприкасается пленка. Записывающая головка создает магнитное поле, модулированное музыкальным сигналом, и это поле ориентирует на пленке магнитные домены. В результате на пленке образуется сравнительно устойчивая физическая структура, отображающая записываемое музыкальное произведение. При воспроизведении магнитные свойства этой структуры воспринимаются головкой за счет электромагнитной индукции и создается электрический сигнал. Искажения возникают по двум основным причинам: 1) неидеальности характеристик магнитного материала и магнитофонных головок и 2) несовершенства механической системы для протяжки пленки с постоянной скоростью.

Магнитные материалы, из которых делаются пленки, восприимчивы к аддитивным шумам, а также имеют нелинейные передаточные характеристики даже при оптимальных параметрах

записывающего устройства [31]. В лучшем случае достигается равное 70 дБ, если даже применяются специальные дополнительные шумоподавляющие устройства [38]. На высоких частотах динамический диапазон ограничивается еще сильнее, если только длина волны записываемого на пленке сигнала не увеличена за счет повышения скорости протяжки (например, до 76,2 см/с). Шум, создаваемый на пленке в процессе записи, не является стационарным, а модулируется сигналом, т. е. образует сложную модуляционную помеху [29]. При воспроизведении синусоидального сигнала, как правило, у синусоиды появляются боковые полосы, содержащие щумовой сигнал. Этот вид помехи очень заметен, когда частота сигнала близка к где отношение опускается ниже 40 дБ [30]. Недостаточно хорошее качество пленки и загрязнения на ней создают быстрые флуктуации амплитудной и фазовой характеристик, особенно заметные в области высоких частот [33]. Эти флуктуации приводят к низкому качеству записи и отчетливо слышны на фоне чистых тонов таких инструментов, как орган или флейта.

Любые эксцентриситеты во вращающихся частях лентопротяжного механизма, таких, как ведущий вал с маховиком или инерционные обводные ролики, приводят к непостоянству скорости движения ленты при записи и воспроизведении. Это создает частотную модуляцию, к которой ухо особенно чувствительно. Конструкторы студийных магнитофонов обычно стараются уменьшить детонации звука до уровня, меньшего 0,1%, особенно для флуктуаций с частотой Гц [34]. Поддержание постоянной скорости протяжки связано с большими трудностями. Из-за нелинейной зависимости коэффициента трения между пленкой и головками (от натяжения пленки) при движении пленки могут наблюдаться микроскопические рывки. Механические резонансы при движении слабо натянутой ленты могут усиливать рывки. Подобную неравномерность, связанную с трением, можно уменьшить за счет правильного расположения обводных роликов [30].

Из-за (перечисленных трудностей, а также в силу неизбежной нестабильности и ненадежности аналоговых устройств магнитофоны с цифровой записью найдут широкое применение в технике студийной звукозаписи. Особенно это относится к изготовлению

первичных записей и архивному хранению звукозаписей. Построено несколько экспериментальных систем цифровой магнитной записи [20, 22, 32]. Фирма Nippon Columbia уже приступила к выпуску музыкальных записей, смонтированных с применением цифровой магнитной записи. В скором времени следует ожидать появления серийных цифровых магнитофонов, предназначенных для звукозаписи.

Принцип действия цифровых магнитофонов несложен (рис. 2.10). Сигнал в каждом из входных каналов подвергается низкочастотной фильтрации, дискретизуется, и его отсчеты превращаются в числа с помощью одного из методов, рассмотренного выше. Потоки двоичных чисел уплотняются в один общий канал, причем вводятся дополнительные разряды для синхронизации, исправления ошибок, проверки на четность и поблочного нормирования. Образующаяся сложная последовательность двоичных цифр в модуляторе преобразуется в соответствующую последовательность аналоговых импульсов. При воспроизведении все процессы происходят в обратном порядке. Считанный с ленты сигнал декодируется, из него выделяются служебные разряды, исправляются ошибки и производится разделение по каналам. Если полагать, что ошибок после исправления не остается, то качество восстановленного сигнала определяется только характеристиками АЦП и ЦАП.

Хотя из-за неидеальности механизма протяжки скорость пленки будет оставаться непостоянной, интервалы между воспроизведенными числами можно уравнять с помощью выходного буферного накопителя. Как показано на рис. 2.11, кольцевой накопитель заполняется с переменной частотой, пропорциональной скорости пленки, а считывание происходит с постоянной частотой, задаваемой кварцевым генератором. Очевидно, что если между этими частотами в среднем имеется постоянная разница, то в некоторый момент накопитель опорожнится или переполнится. Чтобы этого не произошло, вырабатывается вспомогательный сигнал, описывающий степень заполнения накопителя и управляющий скоростью вращения сервопривода тонвала. Разность между входным и выходным адресами, взятая по модулю емкости накопителя, вводится в простой цифро-аналоговый преобразователь. Различие между этой величиной и напряжением, равным половине емкости накопителя, является сигналом ошибки, по которому управляется основной сервопривод тонвала. Таким образом, если накопитель начинает опорожняться, сигнал ошибки приводит к увеличению скорости протяжки, и наоборот, если накопитель заполняется слишком быстро, сигнал ошибки снижает скорость протяжки. Необходимая емкость накопителя пропорциональна постоянной времени сервопривода тонвала. Оказалось, что достаточно иметь накопитель емкостью в 100 слов [32].

Более трудной задачей является выбор плотности записи и обеспечение заданной вероятности ошибок, так как они зависят

(кликните для просмотра скана)

Рис. 2.11. Кольцевое накопительное ЗУ для синхронизации сигнала при считывании цифровой магнитной записи. Кодовые комбинации (числа) поступают на вход накопителя из считывающей головки и заносятся в последовательные ячейки ЗУ. Числа последовательно считываются из накопителя и поступают в блок цифро-аналогового преобразования.

от процесса записи на пленку. Низкая плотность записи увеличивает помехоустойчивость при воспроизведении, но приводит к большему расходу пленки при записи. Наоборот, при высокой плотности записи пленка расходуется более экономно, зато повышается вероятность ошибок. Поскольку цифровые магнитофоны предназначаются для высококачественных систем, все ошибки должны устраняться с помощью некоторого алгоритма обнаружения и исправления ошибок. При высокой плотности записи этот алгоритм должен быть весьма эффективным.

Чтобы оправдать расходы на замену дорогостоящего существующего студийного оборудования, цифровые магнитофоны должны обеспечить существенное повышение качества записей. Таким образом, можно полагать, что в каждом канале необходимо обеспечить скорость обработки информации, по крайней мере равную

0,3 Мбит/с (если только не будут созданы более эффективные способы сокращения избыточности). Тогда в 4-канальной системе потребуется скорость 1,2 Мбит/с, но скорее предпочтение будет отдано 8-канальным системам, и уже сейчас применяются 16-канальные студийные системы записи. Указанные скорости создания информации очень высоки для обычного магнитофона со скоростью протяжки 38,1 или 76,2 см/с. По этой причине лабораторный цифровой магнитофон для записи звуковых сигналов, описанный Сато [22], был построен на базе видеомагнитофона, у которого ширина полосы воспроизводимых частот гораздо больше, чем у обычных магнитофонов. Два звуковых сигнала, для которых скорость потока информации составляла 1,28 Мбит/с, записывались на пленку шириной 25 мм при скорости протяжки 19,05 см/с.

Эффективная скорость протяжки, однако, равнялась 1750 см/с, что достигалось за счет движения вращающейся головки, а фактическая плотность записи составляла всего Для записи восьми звуковых сигналов на такой же видеомагнитофон при скорости 38,1 см/с применялась более эффективная схема модулятора [21]. Инженеры исследовательских лабораторий Британской радиовещательной корпорации Би-би-си построили экспериментальную систему на базе 16-дорожечного магнитофона [32]. Каждый из 16 кодовых разрядов записывался на отдельную дорожку при плотности записи

Вопрос о схемах модуляторов достаточно сложен и подробно рассматриваться здесь не будет. Дополнительные сведения можно найти в литературе [28, 39]. Схемы модуляторов разделяются на два различных класса: самосинхронизирующиеся и с внешней синхронизацией. Во втором случае для установления местоположения каждого разряда необходим вспомогательный синхросигнал. В первом случае вся информация о расположении разрядов создается в модуляторе. Ясно, что для таких схем предпочтительно применять самосинхронизирующиеся коды, поскольку запись опорных импульсов приводит к дополнительному расширению спектра сигнала. Если предположить, что в состав цифрового магнитофона включена какая-то система обнаружения и исправления ошибок, то выбор кода должен производиться только на основе критерия максимума скорости записи информации. Предел скорости определяется пропускной способностью канала, в данном случае магнитной пленки. Анализ этой величины связан с детальным исследованием ширины полосы пропускания и отношения в канале (пленке), но такие сведения трудно получить, и их нельзя применить в стандартной линейной модели, поскольку свойства пленки далеки от идеальных. Передаточные характеристики пленки имеют сильную нелинейность и гистерезис, которые изменяются в зависимости от типа (и даже рулона) пленки, свойств магнитофонных головок и т. д. При этом также меняется отношение

При заданной ширине пленки увеличение числа дорожек приводит к уменьшению ширины каждой из них. Это уменьшает но плотность записи, измеряемая числом импульсов на квадратный миллиметр, увеличивается, поскольку часто остается больше необходимого минимума. К моменту написания книги эти вопросы еще не были проработаны в достаточной степени, и, вероятно, характеристики экспериментальной системы далеки от оптимальных. Опыт разработки стандартных цифровых магнитофонов для вычислительных машин малопригоден для выяснения предельных возможностей цифровой звукозаписи. Запоминающие устройства на магнитных лентах для ЭВМ проектируются на основе повышенных технических требований и должны обеспечивать минимальные вероятности ошибок. Как правило, в них применяются несамосинхронизирующиеся коды и имеется

отдельная синхродорожка. Плотность записи на каждой дорожке составляет всего 32 импульс/мм. Можно, однако, изготовить экспериментальные образцы магнитофонов с плотностью записи до 1200 импульс/мм, и считается возможной запись с плотностью до 3200 импульс/мм.

Методы записи — воспроизведения с исправлением ошибок могут оказаться весьма полезными с точки зрения снижения требований к плотности записи, поскольку в этом случае плотность размещения информации на пленке часто можно существенно повысить, не опасаясь потерь информации. Простой метод исправления ошибок в цифровой магнитной записи состоит во введении дополнительного разряда, служащего для проверки на четность пяти старших разрядов отсчета, и использовании какого-нибудь метода скрывания обнаруженной ошибки [22, 32]. Такое скрывание можно выполнить путем линейной интерполяции между двумя соседними отсчетами (интерполяция первого порядка) или путем запоминания и повторения предыдущего отсчета (интерполяция нулевого порядка), как это делалось [23] при передаче сигналов на большие расстояния (см. разд. 2.4.2). Однако такие методы малопригодны для применения в цифровых магнитофонах, где ошибки обычно появляются пакетами, а не поодиночке. Скрываемые ошибки незаметны на слух, если они случайны и появляются с относительной частотой порядка [25].

Ошибки в магнитных записях чаще всего получаются из-за дефектов пленки и загрязнений. Экспериментальные данные показывают, что подобные «провалы» в воспроизведенном сигнале имеют длительность порядка если скорость протяжки равна 76,2 см/с [33]. При плотностях записи такие пропадания будут создавать пакеты ошибок объемом до 50 двоичных цифр. Поэтому указанный простой подход вряд ли позволит справиться с ошибками, концентрация которых столь велика. Вместо него следует использовать какой-либо алгоритм, специально предназначенный для исправления пакетов ошибок. Ни в одном из вышеупомянутых экспериментальных цифровых магнитофонов такого исправления ошибок не было предусмотрено, поэтому их следует рассматривать как не совсем совершенные.

Поскольку вопрос об исправлении ошибок является сложным и обширным и выходит за рамки данной книги, рекомендуем читателю обратиться к соответствующей литературе [26, 83]. Исправление ошибок основано на дополнении информационных разрядов, образующих «сигнальную» последовательность, некоторым количеством избыточных проверочных разрядов. В приемнике эта избыточность позволяет исправить ошибки. Степень избыточности можно описать расстоянием Хемминга, т. е. числом разрядов кодовой последовательности, при изменении которых получается другая допустимая кодовая последовательность. Сигнальные последовательности, в которых нет избыточных разрядов, т. е. не

предусмотрена защита от ошибок, имеют расстояние Хемминга, равное 1, поскольку изменение любой двоичной цифры превращает одну допустимую последовательность в другую, столь же возможную и допустимую. В качестве противоположного примера рассмотрим две единицы информации, представленные кодовыми комбинациями 111000 и 000111. Расстояние Хемминга равно шести, поскольку необходимо изменить шесть разрядов, чтобы превратить одно сообщение в другое. Такая степень избыточности позволяет исправлять ошибки в двух разрядах, а также обнаруживать, но уже без возможности исправления, ошибки в трех разрядах. В приведенном примере избыточность обходится очень дорого, поскольку каждая двоичная единица информации кодируется в комбинацию из шести двоичных цифр.

Одним из первых появившихся кодов с исправлением ошибок является блочный код Хемминга [84]. Кодируемая информация разбивается на блоки объемом по разрядов. На основе этих разрядов определяются значения избыточных разрядов, которые включаются в передаваемый блок. Поскольку наличие ошибки в любом из разрядов блока должно обнаруживаться по информации, содержащейся в избыточных разрядах, та необходимо, чтобы выполнялось следующее неравенство:

Так, например, четыре избыточных разряда позволяют описать одну из 16 возможных ситуаций: одиночная ошибка в одном из разрядов -разрядного блока или отсутствие ошибок в блоке. Аналогично для исправления единственной ошибки в -разрядном блоке нужно отвести для целей контроля пять разрядов. Другой характеристикой кода является его эффективность, определяемая отношением скорости передачи полезной информации к фактической частоте посылок. Для -разрядного блока, например, эффективность равна 0,84. Однако помехозащищенность обратно пропорциональна эффективности. Так, эффективность -разрядного блочного кода равна 0,97, но в каждых 255 разрядах можно исправить только одну ошибку.

Условие случайности моментов появления ошибок не требуется Для другого класса кодов, называемых кодами с исправлением пакетов ошибок. Существует достаточно много видов таких кодов, различающихся характером исходных предпосылок об особенностях пакетов ошибок и сложностью реализации. Обзор таких кодов дан в работе [85]. Код с исправлением пакетов ошибок

простейшей формы можно непосредственно получить на основе случайных кодов, хотя они, как правило, оказываются или малоэффективными, или трудными для реализации. В принципе код Хемминга можно превратить в код, исправляющий пакет ошибок. Для этого нужно поочередно передавать разряды из нескольких блоков. Допустим, что информационная последовательность разбита на 63 блока длиной по 57 разрядов каждый. Как уже отмечалось, к каждому блоку нужно добавить по шесть проверочных разрядов. Тогда на приемном конце в каждом блоке можно будет исправить по одной ошибке. Вместо того чтобы по очереди передавать каждый блок целиком, передадим сначала все первые разряды, затем все вторые и т. д. Поскольку соседние разряды одного блока в процессе передачи будут разделены 62 разрядами других блоков, любой пакет ошибок длиной не более 63 разрядов сможет исказить в каждом блоке не более одного разряда.

На практике ошибки в цифровых магнитофонах получаются вследствие того, что 1) пропадания сигнала создают пакеты ошибок и 2) фоновый шум приводит к появлению случайных ошибок. Код Хемминга с переплетением разрядов позволяет исправлять ошибки обоих видов, поскольку переплетение не влияет на возможность исправления одиночных ошибок. Кроме того, пакеты ошибок, получающиеся при попадании в тракт соринок или из-за плохого качества пленки, вряд ли будут появляться очень часто. Один пакет ошибок на каждые 100 000 двоичных цифр будет, по всей видимости, указывать на низкое качество пленки. Однако в совокупности пакеты ошибок и одиночные ошибки, вызванные фоновым шумом, могут создать значительную неисправленную ошибку. Пакет размером в 30 разрядов приведет к тому, что в 30 исходных блоках нельзя будет допускать одиночные случайные ошибки. Существуют более сложные коды, которые позволяют исправлять и пакеты, и одиночные ошибки. Пример рекурсивного кода можно найти в работе [85]. Помимо всего прочего код такого типа сравнительно просто реализуется в аппаратуре. К сожалению, в литературе почти отсутствуют экспериментальные результаты по применению таких кодов с исправлением ошибок для цифровых магнитофонов с высокой плотностью записи.

Поскольку потенциальные возможности цифровой записи гораздо шире, чем аналоговой, то можно ожидать, что звукозаписывающие фирмы в конечном итоге перейдут на цифровую технику. К числу ее достоинств относятся следующие:

1. Возможность получения сколь угодно больших значений ограниченных только характеристиками АЦП и плотностью записи.

2. Полное отсутствие детонаций звука, так как равномерность появления отсчетов обеспечивается кварцевой стабилизацией.

3. Отсутствие гармонических искажений вблизи верхнего края диапазона.

4. Отсутствие перекрестных искажений при многоканальной записи.

5. Небольшие колебания намагниченности пленки не вызывают флуктуаций амплитуды сигнала.

6. Ширина диапазона может доходить до частоты Найквиста.

7. Отсутствие сложных шумовых боковых полос вблизи частоты сигнала, связанных с мультипликативным характером помех.

8. Отсутствие копирэффекта в слоях пленки.

Все это совершенно недостижимо в аналоговых устройствах и двляется крайне желательным даже с учетом дополнительных расходов.