Оптическая запись. Принципы. Оптические диски. Цифровые магнитофоны

Запись и воспроизведение звука с помощью светового луча – оптический способ – подразумевает следующее. Световой луч совершает колебания в соответствии с исходным звуковым сигналом и оставляет след – звуковую дорожку – на носителе. Это процесс записи. При воспроизведении «считывание» записанного звукового сигнала происходит также с помощью светового луча, который каким-то образом снова должен «превратиться» в слышимый звук. В этом, собственно, и заключается идея оптического способа записи и воспроизведения звука.
Впервые идея записи звука способом фотографирования была предложена Фриттом в 1880г., а в 1889г. в России А.Ф. Векшимский изобрел аппарат для оптической записи звука. Звук воздействует на мембрану, вызывая ее механические колебания, которые через систему рычагов передаются на легкое зеркальце особой формы. Свет от источника отражается зеркалом в виде световой полоски, а поскольку зеркало колеблется с частотой звука, отраженный световой луч также совершает колебания в такт звуковой частоте. Далее луч проходит сквозь щель в неподвижном экране, которая формирует так называемый «световой штрих» и попадает на светочувствительный материал, которым покрыта кинопленка.

В результате воздействия светового штриха (высота которого меняется вследствие колебаний) на светочувствительный слой кинопленки и после химической обработки (проявления и фиксации) на пленке возникает «звуковая дорожка» или «оптическая фонограмма» (рис. 2). Ее форма аналогична звуковой волне.

Основным элементом в процессе воспроизведения оптической фонограммы (рис. 3) является фотоэлемент, изобретенный А.Г. Столетовым в 1888 г. В фотоэлементе «работает» внешний фотоэффект. Фотоэлемент вырабатывает слабый электрический ток, величина которого пропорциональна освещенности.

Итак, кинопленка с фонограммой движется с постоянной скоростью. Световой поток, создаваемый источником света, проходит сквозь щель в неподвижном экране и фокусируется оптической системой на оптической звуковой дорожке. Интенсивность проходящего сквозь нее светового луча меняется пропорционально параметрам записанного звука (частоте, громкости), и освещенность фотоэлемента также меняется пропорционально записанному звуку. В электрической цепи «фотоэлемент – батарея – телефон» ток меняется пропорционально изменению освещенности фотоэлемента, и в телефоне слышен записанный звук.

В 1927г. советский ученый А.Ф. Шорин предложил более совершенный метод оптической записи звука. В его аппарате звуковая волна воздействует на тонкую металлическую ленточку микрофона, которая расположена между полюсами постоянного магнита. Ленточка совершает колебания и в ней возникает ЭДС индукци звуковой частоты (рис. 5). Затем сигнал поступает на усилитель, выполненный на электронных лампах. К выходу усилителя подключен световой модулятор, который аналогичен микрофону, но работает «наоборот». Сигнал поступает на металлическую ленточку, расположенную между полюсами постоянного магнита, в которых сделаны отверстия для прохождения светового луча. Магнитное поле металлической полоски взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. Но через полоску протекает переменный ток звуковой частоты, следовательно, она совершает колебания аналогичный исходному звуковому сигналу. Колеблющаяся полоска перекрывает большую или меньшую часть светового потока, проходящего через отверстия в полюсах магнита и, соответственно, засвечивает светочувствительный слой на кинопленке. Звуковая дорожка получается аналогичной той, которая возникает при записи в аппарате Векшимского и называется фонограммой переменной ширины.

Есть еще один метод, основанный на том, что переменный ток заставляет изменять яркость нити лампы накаливания пропорционально частоте. Следовательно, световой поток, создаваемый лампой, также будет меняться.

В этом случае звуковой сигнал с микрофона поступает на усилитель записи, к выходу которого подключена специальная лампа. Чем меньше тепловая инерционность нити накала этой лампы, тем лучше преобразуются сигналы звуковой частоты в колебания светового потока. Свет фокусируется оптической системой, попадает на чувствительный слой кинопленки, где фиксируется в виде чередующихся штрихов разной степени затемнения – возникает фонограмма переменной плотности. Для улучшения качества записанного звука лампа накаливания впоследствии была заменена газоразрядной лампой, а затем – светодиодом. Кстати, вместо фотоэлемента позже также стали применять фотодиоды. Но это уже технические детали. Физические основы процесса оптической записи-воспроизведения аналогового звукового сигнала не изменились.

В отечественной кинотехнике наиболее широкое распространение получил зеркальный модулятор света. Принцип его действия таков: световой поток от лампы 1 проходит сквозь диафрагму 2 (ее называют пишущей маской), фокусируется оптической системой 3 на подвижном зеркальце 4, отражается от него так, что на механической щели 5 возникает изображение выреза в диафрагме. Далее световой поток в виде штриха переменной длины снова фокусируется оптической системой 6 и фиксируется на кинопленке фонограммой переменной ширины. Для более полной картины следует заметить, что в зависимости от формы выреза в диафрагме звуковая дорожка будет иметь разный вид, например:

если вырез в форме буквы «М», то будет двухсторонняя фонограмма переменной ширины;

если маска имеет несколько треугольных вырезов, то получается многодорожечная фонограмма переменной ширины, правда, запись на каждой дорожке совершенно идентична соседней;

если маска имеет форму оптического клина, то получается фонограмма переменной плотности.

В основу цифровой передачи и записи сигналов в цифровых магни­тофонах положена импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Она предполагает дискретизацию аналоговых сигналов путем осуществления отсчетов значений сигналов в определенные (обычно равномерно распределенные) моменты. Дискретизованный сигнал подвергается аналого-цифровому преоб­разованию. Вначале — квантованию (дискретизации по уровню), при котором непрерывно изменяющиеся по уровню отсчеты сигналов заменяются квантованными отсчетами. Фиксированные значения уровней квантования берутся из определенного их множестваЗатем — кодированию: замене кван­тованного отсчета кодовым его значением (кодовым словом). Обычно исполь­зуют двоичный код, где каждая позиция символа определяется одним из двух его значений: 0 или 1.

Естественным развитием технологии звукозаписи на магнитную ленту явилось применение цифрового метода записи. Магнитофоны, работающие с цифровыми записями обозначаются аббревиатурой DAT (Digital Audio Tape) или DASH (Digital Audio Stationary Head). На стадии лабораторных прототипов существовало две разновидности DAT-магнитофонов — S-DAT с параллельной многодорожечной записью неподвижной головкой, и R-DAT, имеющий систему записи, аналогичную используемой в видеотехнике — запись блоком головок, размещённых на вращающемся барабане (БВГ). Ввиду явных преимуществ по скорости доступа, ёмкости и пропускной способности, основной стала технология R-DAT.

DAT-магнитофонами ведётся запись на ленту оцифрованного аудиосигнала (стандартом предусмотрена запись двух каналов звука) с различной частотой дискретизации (стандартом в настоящее время считается наличие частот 32, 44,1 и 48 кГц). На частоте дискретизации 44,1 кГц с разрядностью 16 бит делаются студийные мастер-записи для подготовки Audio CD. Формат записи обычно машинно-специфичен и зависит от функционального потенциала устройства (некоторые модели имеют возможность автоматической разметки записей, быстрого поиска и несложного линейного монтажа на одной ленте).

Изначально формат R-DAT был адресован бытовым потребителям, как замена кассетным магнитофонам. Однако, высокие показатели качества аудиосигнала быстро проложили им путь в сферу профессиональной звукозаписи. Этому способствовала и относительная дешевизна нового формата по сравнению с аналоговыми мастер-магнитофонами. Ввиду малой совместимости технологий записи DAT-магнитофоны применяются в основном при профессиональной студийной звукозаписи. Корпуса устройств часто имеют посадочные места для установки в стандартные студийные аппаратурные рэковые стойки размером 19 дюймов. При этом топовые модели часто оснащаются дополнительными функциями (например, наложение при записи нестандартной временно́й разметки от внешнего генератора в модели TASCAM DA-60 Mark II). Кроме того, бытовая акустика обычно бывает не в состоянии обеспечить характеристики, необходимые для качественного воспроизведения сигнала с DAT-лент. При профессиональной записи (бутлеге) концертных программ используются также портативные модели DAT-магнитофонов (TASCAM DA-P1). Однако с появлением формата цифровой передачи данных S/PDIF, аппаратных интерфейсов Coaxial S/PDIF и TOS-linkDAT-магнитофоны смогли занять свою (хотя и очень ограниченную) нишу на рынке бытовой звукозаписывающей аппаратуры. В настоящее время DAT-магнитофоны постепенно выходят из употребления в сфере звукозаписи ввиду недостаточной механической надежности и сохранности записей.

DASH-магнитофоны изначально разрабатывались исключительно для профессионального рынка. Это разработка фирмы Sony. Активное участие в проекте принимала фирма Studer. DASH-магнитофоны были призваны заменить собой аналоговые магнитофоны в радиовещании и звукозаписи. Однако, традиции в этих сферах сильны и фирмам пришлось изрядно поработать, чтобы эксплуатационные параметры цифрового магнитофона могли конкурировать с привычными аналоговыми моделями (возможность воспроизведения с любой скоростью в любом направлении, механическое разрезание и склейка ленты («кровный» монтаж), работа в обычных климатических условиях без применения специальных мер по обеспыливанию и кондиционированию студий).

Стандарт DASH предусматривает запись на обычную магнитную ленту в бобинах. Этот формат многодорожечной записи позволяет записывать от 1 до 48 аудиодорожек одновременно^[22].

Несмотря на развитие компьютерных технологий записи звука, DASH-магнитофоны по сей день используются в крупных студиях звукозаписи, поскольку их электроакустические и эксплуатационные характеристики соответствуют самым высоким требованиям.

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°.

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.

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.