Цифровой кассетный магнитофон

Хотя первые работы по цифровому представлению аналоговых, в частности, звуковых сигналов относятся к концу тридцатых годов, на практике цифровой код для передачи такого рода информации был применен только двадцать лет спустя. В конце пятидесятых годов в США была введена в эксплуатацию первая двадцатичетырехканальная телефонная линия связи с цифровым кодированием сигнала.

Первые попытки использовать цифровую электронику для передачи музыки были предприняты японской фирмой NHK уже в середине шестидесятых годов. Созданная на этой фирме экспериментальная система использовала импульсно-кодовую модуляцию. При частоте дискретизации 31,5 кГц и 13-битном нелинейном квантовании были получены верхняя граница полосы передаваемых сигналов 15 кГц и динамический диапазон около 80 дБ. Забегая вперед, отметим, что это было близко к предельным значениям, достигнутым в наши дни.

Прошло еще десятилетие и голландская фирма PHILIPS предложила цифровую систему грамзаписи на основе так называемого компакт-диска, использующего оптические методы (лазер) для считывания нанесенной на него информации.

Современный стандарт на компакт-диски был выработан в 1981 г. совместно фирмами SONY (Япония) и PHILIPS. В этом же году начался и серийный выпуск цифровых лазерных проигрывателей. Высокое качество воспроизводимого сигнала и то, что оно практически не зависит от числа проигрываний, удобство доступа к информации при большом ее объеме, хранящемся на одном диске, определили резко растущую популярность цифровой системы грамзаписи. Сегодня парк цифровых лазерных проигрывателей в мире приближается к 20 миллионам, а уровень ежегодной продажи компакт-дисков составляет примерно 60 млн штук.

Казалось бы, успех несомненный. Но проигрыватель есть проигрыватель — он полностью лишает потребителя возможности создавать фонотеку по своему вкусу. Это пока можно делать только с помощью магнитофона.

По иронии судьбы получилось так, что первый бытовой цифровой магнитофон появился на рынке раньше компакт-диска. Это была разработанная фирмой SONY в 1977 г. приставка к видеомагнитофону, которая позволяла записывать вместо изображения звук в цифровой форме. Но, как написали когда-то Ильф и Петров, автомобильный Мессия явился раньше срока, и удобный компакт-диск вскоре победил первые не очень совершенные цифровые магнитофоны. Победил, но только на время. Все годы его триумфа в лабораториях многих фирм мира шла интенсивная работа по созданию бытового кассетного магнитофона с цифровыми записью и воспроизведением звука.

Для решения этой задачи было предложено множество разных технических решений, из которых в качестве основных соперников со временем выделились системы S-DAT и R-DAT (DAT — DIGITAL AUDIO TAPE или цифровая звуковая лента). В системе S-DAT применяется неподвижный блок, состоящий из отдельных тончайших (десятки микрон) головок, и соответственно параллельный способ записи информации (на каждой дорожке — один разряд цифрового кода). Система R-DAT была создана на основе богатого опыта работ над видеомагнитофонами и активно использует решения, характерные для этой техники. Эта система была принята многими производителями бытовой радиоэлектроники в 1986 г., и в следующем году уже начался серийный выпуск цифровых кассетных магнитофонов, работающих в системе R-DAT. От видеотехники система R-DAT взяла прежде всего вращающуюся головку (отсюда и пошла первая буква ее названия — ROTARY HEAD или вращающаяся головка) и, естественно, наклонный способ записи информационных строк (дорожек). Это, как известно, обеспечивает высокую относительную скорость записи (до нескольких метров в секунду) при очень низкой скорости движения самой ленты. В R-DAT последняя почти в пять раз ниже, чем в обычном кассетном магнитофоне!

От видеосистемы ВЕТАМАХ фирмы SONY была взята установка двух записывающих головок под небольшим углом (по 7° в разные стороны) к вертикальной оси. Это позволило заметно уменьшить расстояние между строками и повысить тем самым плотность записи. Помехи с соседней строки при этом случае не возрасли, так работающая в данный момент головка читает ее с ошибкой в 14°.

Рис. 2, Сердце цифрового кассетного магнитофона — блок вращающихся головок

Разработанная фирмой PHILIPS видеосистема V2000 оказалась нежизнеспособной, но одно из ее технических решений пригодилось для системы R-DAT. Речь идет о введении по краю ленты специальных служебных дорожек, обеспечивающих необходимую синхронизацию считывания отдельных строк. На них наносятся управляющие импульсы — по одному на каждую строку записи.

И, наконец, от системы VIDEO-8 фирмы SONY было взято разделение строки на отдельные сектора.

Несколько слов о кассетах для цифрового кассетного магнитофона. В них применяется лента шириной 3,81 мм с металлическим слоем, т. е. такая же, как и в компакт-кассетах для обычных кассетных магнитофонов. Толщина ленты 10 или 13 мк. Но сами кассеты несколько меньше по габаритам компакт-кассет (73Х54 Х10,5 мм против 102,4 X 63X12 мм) и почти в два раза меньше их по объему. Расположение информационных и служебных дорожек и их характерные размеры иллюстрирует рис. 1,а.

Каждая информационная дорожка (строка) на ленте делится на секторы. Кроме сектора, в котором записана собственно звуковая информация (рис. 1,6), есть секторы для записи управляющих сигналов и дополнительных сигналов (субкод ), позволяющих, например, осуществлять поиск интересующего фрагмента фонограммы. Это обеспечивает различные сервисные удобства, но пораждает одну проблему: между порциями звука длительностью около 5 мс есть перерывы примерно по 2,5 мс (технические паузы). В видеомагнитофоне, где информация поблочно дискретна (кадр, строка), это существенно, а в звуке такие перерывы, в принципе, недопустимы.

Вот почему в цифровом магнитофоне перед записью сигнала на ленту его сжимают во времени. Для этого после аналогоцифрового преобразования сигнал считывают из устройства памяти быстрее, чем это требовалось бы для записи без перерывов. При воспроизведении сжатую информацию загружают с ленты в устройство памяти и считывают уже со скоростью, меньшей чем та, с которой загружали в нее (расширение во времени). В результате магнитофон как бы заполняет технические паузы более медленным чтением информации, предварительно занесенной в память.

Рис. 3. Цифровой кассетный магнитофон фирмы LUXMAN один из наиболее универсальных

Цифровой способ записи информации имеет одно важное достоинство — он может уменьшить влияние дефектов ленты на качество записи. Достигается это перемешиванием битов информации. В результате такой операции, осуществляемой процессором магнитофона, физически на ленте будут рядом находиться биты из разных фрагментов записи. Потеря группы битов в этом случае (например, при повреждении ленты) приведет к размыванию дефекта на определенный отрезок записи. Качество звучания при этом может ухудшиться, но очень заметного на слух выпадения сигнала (как в аналоговой записи) не будет.

Более того, дополнительная информация, хранящаяся на ленте, позволяет частично восстанавливать потери, используя интерполяционные методы. За это, правда, приходится платить довольно дорогой ценой — большим объемом оперативного запоминающего устройства (несколько сотен килобайт).

Заметим, что в качестве служебной на ленте хранится большой объем дополнительной информации для автоматического внесения соответствующих корректировок: тип записи, применялась ли ВЧ коррекция при записи, частота дискретизации, число битов квантования, наличие защиты от записи, дата записи и т. д. и т. п.

Что касается блоков дополнительных данных (субкод ), то они позволяют заносить на ленту новую информацию, не изменяя основных данных (управление и собственно музыкальный сигнал). Объем памяти субкода для двухчасовой кассеты составляет 123 мегабайта, что, в принципе, дает возможность записывать в эти блоки, например, тексты песен, их перевод и любую другую необходимую пользователю информацию. На сегодняшний день данные, заносимые в виде субкодов, уже позволяют редактировать фонограмму, не изменяя их содержания.

Здесь необходимо отметить, что вполне возможно (и это направление, по-видимому, будет развиваться) использовать цифровой кассетный магнитофон для хранения данных бытовых компьютеров. Ведь общий объем памяти его стандартной кассеты составляет 1,2 Гигабайта!

Основной вариант системы R-DAT позволяет на кассете, о которой рассказывалось выше, записывать два канала с общим временем звучания 120 минут. В ней применяется линейное 16-битовое квантование аналогового сигнала с частотой дискретизации 48 кГц. Таким образом, R-DAT на меньшей по размерам кассете позволяет записать заметно больший объем информации по сравнению с традиционным кассетным магнитофоном. Различие в электроакустических характеристиках еще более разительно. Так, полоса воспроизводимых частот в R-DAT составляет 2...22 000 Гц (аналоговая кассета — 25...20 000 Гц), динамический диапазон — 96 дБ (против 50...60 дБ), коэффициент гармоник — менее 0,005 % (около 0,5 % у традиционных кассетных магнитофонов).

Разумеется, за все эти достоинства приходится платить весьма высокой ценой — повышенной сложностью механики (как у видеомагнитофона) и повышенной сложностью электроники (как у компьютера). Но здесь, по крайней мере, ясно, что плата оправдана, и такой магнитофон может стать сердцем современного бытового радиоэлектронного комплекса.

Хотя можно считать, что система R-DAT в целом стала ведущей в области бытовой цифровой записи звука, остался ряд нерешенных вопросов. Она обеспечивает практически такое же качество звука, как и компакт-диск, но не позволяет непосредственно переписывать с него цифровой сигнал (у компакт-диска частота дискретизации — 44,1 кГц). Более того, есть еще несколько версий этой системы (поддержанных продукцией ряда фирм), которые отличаются, например, частотой дискретизации (32 кГц) и/или разрядностью квантования (12 бит). Версия с частотой дискретизации 32 кГц позволяет записывать сразу в цифровой форме (не преобразуя в аналоговую ) вещательные программы, идущие через ИСЗ. Версия с частотой дискретизации 32 кГц и нелинейным квантованием (12 бит) позволяет вдвое увеличить время звучания кассеты. Ряд моделей магнитофонов поэтому предусматривают возможность, по крайней мере, воспроизведения записей, сделанных с другими версиями R-DAT. Окончательное решение, какой из вариантов окажется более жизненным, покажет время.