Вопрос 4: Форматы цифровой магнитной записи звука на ленточные носители (DAT, DASH, ADAT, dtrs). Их характерные особенности.

Вопрос 1: Обобщенная структурная схема тракта цифровой записи/воспроизведения звука. Назначения и особенности элементов.

Принцип цифрового представления колебаний звукозаписи достаточно прост:

• вначале нужно преобразовать аналоговый сигнал в цифровой, это осуществляет устройство — аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
• произвести сохранение полученных цифровых данных на носитель: магнитную ленту (DAT), жёсткий диск, оптический диск или флеш-память
• для того чтобы прослушать сделанную запись, необходимо воспроизведение сделанной записи с носителя и обратное преобразование из цифрового сигнала в аналоговый, с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Принцип действия АЦП

Принцип действия АЦП — тоже достаточно прост: аналоговый сигнал, полученный от микрофонов, электро-музыкальных инструментов, акустических инструментов, духовых, ударных и проч., преобразовывается в цифровой. Это преобразование включает в себя следующие операции:

1. Ограничение полосы частот производится при помощи фильтра нижних частот для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации.
2. Дискретизацию во времени, то есть замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени — отсчетов. Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения.
3. Квантование по уровню представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин — уровней квантования.
4. Кодирование или оцифровку, в результате которого значение каждого квантованного отсчета представляется в виде числа, соответствующего порядковому номеру уровня квантования.

Делается это следующим образом: непрерывный аналоговый сигнал «режется» на участки, с частотой дискретизации, получается цифровой дискретный сигнал, который проходит процесс квантования с определенной разрядностью, а затем кодируется, то есть заменяется последовательностью кодовых символов. Для записи звука в полосе частот 20-20 000 Гц, требуется частота дискретизации от 44,1 и выше (в настоящее время появились АЦП и ЦАП c частотой дискретизации 192 и даже 384 кГц). Для получение качественной записи достаточно разрядности 16 бит, однако для расширения динамического диапазона и повышения качества звукозаписи используется разрядность 24 (реже 32) бита.

Принцип действия ЦАП

Цифровой сигнал, полученный с декодера, преобразовывается в аналоговый. Это преобразование происходит следующим образом:

1. Декодер ЦАП преобразует последовательность чисел в дискретный квантованный сигнал
2. Путем сглаживания во временной области из дискретных отсчетов вырабатывается непрерывный во времени сигнал
3. Окончательное восстановление сигнала производится путем подавления побочных спектров в аналоговом фильтре нижних частот

 

Вопрос 2: Физические принципы оптической записи цифровой информации (-ROM, -R, -RW)

 

Процесс производства компакт-дисков начинается с изготовления диска-оригинала. Основа для него выполняется из тщательно отполированного стекла. На поверхность основы диска-оригинала, которая при этом должна быть идеально плоской, наносится тонкий слой светочувствительного материала – фоторезиста. Толщина слоя фоторезиста определяет глубину будущих пит (0,1…0,13 мкм), поэтому строго контролируется в процессе производства. На всех стадиях изготовления диск-оригинал тщательно проверяют, поскольку все его дефекты в дальнейшем неизбежно будут перенесены на матрицу и растиражированы.

Структурная схема установки записи диска-оригинала показана на рисунке. Поскольку требований к ее миниатюрности не предъявляются, то здесь, как правило, используется либо аргоновый лазер с длиной волны излучения 0,4579 мкм, либо гелий-кадмиевый лазер с длиной волны излучения 0,4416 мкм. Выбор такой длины волны объясняется рядом причин. Во-первых, уменьшенная длина волны излучения позволяет получить световое пятно нужного диаметра с более четкими границами, чем если бы использовался лазер с длиной волны 0,78 мкм, как тот, что применяется для считывания. Во-вторых, такая длина волны лучше согласуется с характеристиками светочувствительности фоторезиста, что позволяет ограничиться при записи сравнительно небольшой мощностью лазера.

 

 

В процессе записи излучение лазера модулируется цифровым сигналом, формируемым аппаратурой кодирования звука в полном соответствии с требованиями стандарта. Излучение лазера воздействует на фоторезист, покрывающий поверхность вращающегося диска-оригинала, и оставляет на нем зоны засветки, соответствующие «единицам» цифрового кода. После окончания записи фоторезистивный слой проявляют в специальном растворе. При этом экспонированные зоны растворяются, и на их месте образуются углубления – питы.

Для модуляции лазерного луча может быть использован электрооптический эффект Поккельса, состоящий в том, что под воздействием электрического поля изменяется коэффициент преломления кристалла, не имеющего внутренней симметрии (например, пьезокристалла). В результате луч, проходя через такой кристалл, то попадает на поверхность диска, формируя пит, то отклоняется в сторону, не вызывая засветки фоторезиста.

Также может использоваться акустооптический эффект, когда упругие деформации, возникающие при прохождении ультразвука через прозрачный акустооптический материал (кристалл PbMoO₄, TeO₂, LiNbO₃, GaP, халькогенидное или теллуровое стекло и пр.), работает как дифракционная решетка, изменяя направление распространения светового луча.

Для того чтобы обеспечить точную фокусировку записывающего луча на фоторезистивном слое диска, используется система контроля расстояния на основе измерения емкости между слоем фоторезиста и электродом, закрепленным на объективе записывающей оптической головки.

Чтобы обеспечить необходимый шаг между дорожками (1,6 мкм), используется система радиальной подачи с поворотным зеркалом в качестве исполнительного механизма.

Для того чтобы обеспечить постоянство линейной скорости перемещения луча относительно записываемой дорожки, используется система регулирования скорости вращения двигателя, где контролируемым параметром является расстояние от центра диска до записывающего пятна.

После проявления экспонированного лучом лазера диска-оригинала, его поверхность металлизируют слоем серебра. Затем на основе этого диска методом гальванопластики формируют другой оригинал – цельнометаллический. После этого рельеф с него переносится на промежуточные копии, а с промежуточных копий – на матрицы. Матицы в дальнейшем используются для тиражирования компакт-дисков.

Диск CD-R с однократной записью разработан ещё в начале 90-х годов. Кроме самого диска, пришлось разрабатывать также и более мощный полупроводниковый лазер, поскольку для осуществления записи требуется создание в области регистрирующего слоя высокой температуры. Если мощность считывающего лазера может быть не более 1 мВт, то записывающий лазер должен иметь мощность порядка 4…8 мВт при скорости записи, равной скорости считывания, 8…10 мВт – при двукратной скорости, 10…12 мВт – при четырехкратной, 14…18 мВт – при восьмикратной и т.д.

Конструкция диска CD-R показана на рисунке 9.6. В качестве регистрирующего слоя в настоящее время органические красители, оптический спектр поглощения которых совпадает с длиной волны излучения лазера. В период разработки CD-R было создано около полусотни таких красителей, но до промышленной технологии доведено только три из них – цианин, фталоцианин и азотокраситель.

 

 

Во время записи информации лучом лазера происходит разогрев структуры подложка-слой органического красителя-отражающий слой, и она деформируется, образуя питы (рис..9.7). При считывании свет лазера на таких питах будет рассеиваться, обеспечивая разницу в интенсивности отраженного пучка на деформированных и недеформированных участках дорожки.

 

 

 

Дорожки на дисках CD-R служат для обеспечения автотрекинга во время записи. Их ширина – 0,8 мкм, шаг – 1,6 мкм. Формируются они во время изготовления диска методом литья под давлением. Затем на поверхность поликарбонатной основы методом центрифугирования наносится регистрирующий слой (органический краситель), а поверх него методом вакуумного напыления – отражающий слой. Всё это покрывается защитным слоем из прочной пластмассы, а сверху формируется этикетка (рис. 9.6).

Реверсивные диски CD-RW, допускающие многократную перезапись, конструктивно похожи на диски CD-R. Однако вместо органического красителя здесь роль регистрирующей среды выполняет слой неорганического вещества, способного многократно менять своё состояние из кристаллического в аморфное и обратно. Для записи информации на них требуется лазер с меньшей мощностью, чем для записи CD-R, но и контраст записанной дорожки получится меньший, поэтому качество записи будет несколько хуже.

Все диски CD-R и CD-RW после осуществления записи приобретают свойства того формата, в котором эта запись производилась, и могут воспроизводиться соответствующими устройствами. Если записывалась музыка в формате CD-Audio, то диск можно воспроизводить с помощью обычного CD-проигрывателя, если записывалась программа в формате CD-ROM, то с помощью любого компьютерного дисковода. Однако не следует забывать, что контраст записи как у дисков CD-R, так и у дисков CD-RW, всегда ниже, чем у нормального тиражированного диска, не говоря уж о гораздо большем количестве ошибок, которые вносятся на него при записи. Поэтому качество такого воспроизведения не гарантируется.

 

Вопрос 3: Физические принципы магнитооптической записи цифровой информации. Закон Кюри-Вейса. Точка Кюри. Два способа воспроизведения магнитооптической записи. Преимущество магнитооптической записи перед магнитной.

В основе весьма перспективного направления реверсивной оптической записи лежит фазовый переход ферромагнетик — парамагнетик. Ферромагнетизм физика определяет как магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все носители магнетизма ориентированы преимущественно одинаково. Такое состояние упорядоченности возможно только ниже некоторой температуры Тк — точки Кюри. При температуре Тк и выше ферромагнетик переходит в парамагнитную фазу. Этот фазовый переход обусловлен тем, что ниже точки Кюри ферромагнетики имеют некую спонтанную намагниченность и определенную магнито-кристаллическую структуру. При нагреве тепловое движение атомов усиливается, расшатывая магнитную упорядоченность среды. В результате в точке Кюри самопроизвольная магнитная упорядоченность, характерная для ферромагнетиков, исчезает. Утрачивается и магнитная память, т. е. способность замораживать и сохранять намагничивание, вызванное внешним магнитным полем после его исчезновения. При температурах, близких к точке Кюри, но ниже ее намагниченность насыщения ферромагнитного материала падает с ростом температуры, а магнитная восприимчивость возрастает до огромных значений обратнопропорционально разности между температурой Кюри и действующей температурой. Такая зависимость называется законом Кюри-Вейса. В данной температурной зоне даже очень слабые магнитные поля способны наводить остаточную намагниченность, которая быстро нарастет в процессе остывания среды.

Лазер в магнитооптических видеодисках в режиме записи выполняет одну функцию — локальный разогрев среды до температуры, немного превышающей точку Кюри. Информационное содержание записываемой сигналограммы определяет внешнее магнитное поле, достаточно слабое и протяженное, т. е. не сфокусированное в точке разогрева магнитооптического рабочего слоя (рис. 3). Силовыелинии магнитного поля ориентированы ортогонально поверхности диска. В принципе можно использовать и широтный эффект, когда магнитное поле ориентировано вдоль поверхности диска.

 

Рис. 3. Схема магнитооптической записи

 

Температура в точке, нагретой лазерным излучением, быстро снижается и опускается ниже точки Кюри, ферромагнитная фаза восстанавливается. За счет гигантской магнитной восприимчивости вблизи точки Кюри в магнитном рабочем слое слабое и достаточно протяженное внешнее поле наводит остаточную намагниченность, ориентированную вдоль его силовых линий. Она сохраняется при дальнейшем остывании до комнатной температуры. В тех случаях, когда внешнее поле находится в нулевой фазе, остаточная намагниченность ферромагнитной среды будет спонтанной, т. е. хаотической со средним нулевым значением.

Считывание сигналограммы обеспечивается магнитооптическими эффектами Керра или/и Фарадея. Оба эффекта сводятся к повороту вектора поляризации считывающего луча, прошедшего или отраженного от рабочего слоя. Оптические схемы считывания информации для эффектов Фарадея и Керра представлены на рис. 4. Основными элементами схемы считывания на основе эффекта Фарадея (см. рис.4а) являются: входной поляризатор Р_вх, задающий направление линейной поляризации излучения лазера; фарадеевский элемент F; выходной поляризатор Р_вых; магнитное поле Н. В нашем случае фарадеевский элемент — это считываемый пит, имеющий остаточную намагниченность. Луч на выходе из фарадеевского элемента оказывается повернутым на некоторый угол φ = C·H·l, где С — некая постоянная, Н — напряженность поля остаточной намагниченности, l — длина пути света в элементе. Выходной поляризатор Р_вых, скрещенный с входным, преобразует угол поворота вектора поляризации в изменение интенсивности света, которое пропорционально sin 2·φ (φ — угол поворота). В отсутствие остаточной намагниченности, т. е. при Н = 0, свет через систему не проходит. Это очень важная особенность системы скрещенных (ортогональных) поляризаторов.

 

Рис. 4. Оптические схемы считывания:
а — для эффекта Фарадея;
б — для эффекта Керра

 

Недостатком фарадеевской схемы является то, что она может работать только на просвет. Иными словами, за фарадеевским элементом нельзя поставить зеркало и второй раз пропустить луч через элемент — эффект не удвоится, а станет нулевым. Дело в том, что при смене направления на обратное, изменяется и знак угла поворота вектора поляризации. Поэтому применение фарадеевской схемы считывание ограничивается специальными приложениями.

Схема считывания на основе эффекта Керра поясняется на рис. 4б. Назначение входного и выходного скрещенных поляризаторов то же, что и на рис. 4а. Магнитное поле Н может быть ориентировано и вдоль нормали N к отражающей поверхности, и вдоль отражающей поверхности. При отражении (за счет взаимодействия света и магнитного поля в тонком поверхностном слое материала) вектор поляризации поворачивается на угол φ. В остальном все происходит, как в схеме считывания на основе эффекта Фарадея. Рабочими материалами для магнитооптических дисков являются сложные по составу сплавы редкоземельных и переходных металлов. Основное требование — низкая температура Кюри, около 100°С.

Преимущества:

 Слабая подверженность механическим повреждениям

 Слабая подверженность магнитным полям

 Гарантированное качество записи

 МО-диски допускают до 10 млн циклов стирания-записи,

 скорость вращения составляет 3 000—3 600 об/мин, что обеспечивает много большую скорость передачи данных, скорость записи практически равна скорости чтения и достигает нескольких мегабайт в секунду,

 МО-носитель полностью размещён внутри защитного пластикового корпуса, что обеспечивает его лучшую сохранность,

Вопрос 4: Форматы цифровой магнитной записи звука на ленточные носители (DAT, DASH, ADAT, DTRS). Их характерные особенности.

Формат DASH (Digital Audio Stationary Head) - это формат записи на катушечную ленту с использованием неподвижной магнитной головки (в отличие от записи на кассету с вращающимися головками, как в форматах ADAT или DA-88). Разрядность записи - 16 бит с частотами дискретизации 44056, 44100 и 48000 Гц. Лента имеет ширину пол-дюйма (12,7 см), и дорожки располагаются вдоль ленты, как на аналоговых многодорожечных магнитофонах. Так как для записи не применяется вращающаяся головка, понятие "кадра" отсутствует, вместо него используется более правильное для цифровой технологии понятие "слова". Соответственно и счетчик таймера позволяет оперировать с более мелкими величинами, нежели кадр, вплоть до тысячных долей секунды, что для звукозаписи очень важно - в отличие от видео.

 

DAT — цифровой формат звукозаписи, разработанный компаниями Sony и Philips и представленный в 1987 году. DAT задумывался как потребительский звуковой формат, в качестве альтернативы аналогового формата записи на компакт-кассеты, но не получил такого же массового распространения. Однако, формат нашел широкую поддержку среди профессионалов — за компактность, высокое качество звучания, удобные функции управления, возможность редактирования уже записанного материала, а также из-за невысокой стоимости оборудования и носителей.

Звуковой носитель DAT-формата по внешнему виду напоминает уменьшенную в два раза компакт-кассету, поскольку представляет собой четырёхмиллиметровую (4 мм) магнитную ленту, заключённую в защитный пластиковый корпус размера 73 мм × 54 мм × 10,5 мм. Как подсказывает само название (в переводе с англ. «цифровая аудиолента»), запись на магнитную ленту производится цифровым, а не аналоговым способом, при этом используется 16-битная импульсно-кодовая модуляция без сжатия, как у CD, а частота дискретизации может быть как больше, чем у CD (44,1 кГц), так и меньше, а именно: 48, 44,1 или 32 кГц. Это означает, что запись производится без потери качества исходного сигнала, в отличие от более поздних форматов DCC (Digital Compact Cassette) и MD (MiniDisc).

 

ADAT — пакет стандартов цифровой звукозаписи, разработанный компанией Alesis в 1991 году, включающий формат восьмидорожечной звукозаписи на кассету стандарта S-VHS, стандарт передачи восьмиканального цифрового звука между устройствами по оптическому кабелю с разъёмами TosLink, а также принципы синхронизации нескольких восьмидорожечных трактов, обеспечивающие запись и воспроизведение до 128 дорожек.

 

• Восьмидорожечная цифровая запись.
• Разрядность записи — 16, 20 или 24 бит
• Частота дискретизации: 44100 и 48000 Гц.
• Продолжительность записи кассет: 42 или 60 минут.

 

DTRS -??????