4.5 Установить R1 в оптимальное положение полученное в п.4.4, R2 в крайнее правое положение, S2 в положение «Выкл». Переключая S1, изменять число выпавших строк от 1 до 7. Пронаблюдать выпадение строк на мониторе и осциллографе в контрольной точке Х6. Включить S2 и убедиться в восстановление строк. Подключить к контрольной точке Х6 осциллограф и снять зависимость числа восстановленных строк Z_BOCT от числа выпавших Z_ВЫП. Заполнить таблицу.

ZВЫП	1	2	3	4	5	6	7
ZBOCT

(Подсчет восстановленных строк проводить по осциллографу, изменяя положение S2, «Вкл»- включен компенсатор выпадения строк, «Выкл»- выключен компенсатор выпадения строк). Построить график Z_BOCT(Z_ВЫП). Зарисовать осциллограмму при числе выпавших строк, указанном преподавателем.

4.6 Изменяя уровень фиксации постоянной составляющей резистором R2 (передвигая резистор по меткам 1....9) снять зависимость качества изображения от уровня фиксации постоянной составляющей. Оценку качества провести визуально. Построить график качества изображения от уровня фиксации. Под визуальным контролем качества изображения понимается субъективная 10-балъная оценка изображения (10 баллов - отличное качеств изображения. О баллов - изображение отсутствует ).

4.7 Составить отчет. Написать выводы. В выводах выделить работу компенсатора выпадения и описать основные принципы записи видеоизображения на магнитную ленту.

5. Контрольные вопросы

1. В каком виде записывается сигнал на магнитную ленту?

2. Сколько видеоголовок в видеомагнитофоне «Электроника ВМ-12»?

3. Алгоритм работы компенсатора выпадения?

4. Какой сигнал восстанавливает компенсатор выпадения?

5. Для чего в ВМ раздельно ограничивается ВЧ и НЧ составляющие сигнала?

6. С какой целью установлен шумоподавитель?

7. Почему обработанный сигнал на выходе канала воспроизведения яркостного сигнала задерживают на 0,3 микросекунды?

8. Какой детектор выпадения используется в ВМ ?

9. К какому уровню привязывается постоянная составляющая видеосигнала?

Лабораторная работа №9

Канал записи яркостного сигнала видеомагнитофона

Введение

Настоящее руководство по лабораторной работе "Канал записи яркостного сигнала видеомагнитофона" составлено в помощь студентам для практического изучения данной темы в курсах: "БРЭА и сервис БРЭА". Лабораторная работа построена на базе бытового видеомагнитофона " Электроника ВМ-12" и рассчитана на 4 часа работы. После выполнения данной работы студенты должны получить практические знания о работе канала записи, знать структурную схему канала записи, иметь представление о преобразование записываемого сигнала в канале записи яркостного сигнала ВМ.

1. Теория

Общие принципы и особенности магнитной записи телевизионных сигналов

Запись видео- и аудиосигналов внесла большие изменения в технологию ТВ вещания. Телевизионные программы или их фрагменты подготавливают заблаговременно, их можно компоновать и монтировать, что позволяет эффективно использовать комплекс ТВ аппаратуры и осуществлять независимо от времени передачи более равномерную его загрузку.

Запись облегчает труд творческих работников, открывает широкие возможности отбора наиболее удачных кадров, фрагментов и сюжетов. Упрощается репетиционная работа, уменьшается вероятность технического брака, исключается элемент случайности. Кроме того, при современной видеозаписи творческие работники могут использовать в передачах различные художественные приемы подачи видеоматериала, спецэффекты, что увеличивает возможности усиления эмоционального воздействия на зрителя.

Запись ТВ и звуковых сигналов на магнитный носитель базируется на одних и тех же принципах, которые основаны на способности ферромагнитных материалов намагничиваться под действием внешнего магнитного поля, создаваемого видео- или аудиосигналом, и сохранять остаточную намагниченность продолжительное время.

В процессе записи при протекании тока сигнала по обмотке записывающего элемента (магнитной головки) в его сердечнике возникает магнитный поток, силовые линии которого создают рабочее поле, пронизывающее магнитный слой носителя (магнитной ленты). При движении магнитной ленты относительно записывающей магнитной головки электрический сигнал, являющийся функцией тока или напряжения от времени, преобразуется в пространственную последовательность намагниченных участков носителя записи. Таким образом, на носителе записывается информация в виде магнитного следа (сигналограммы).

При воспроизведении сигналограммы остаточная намагниченность ферромагнитного носителя создает внешнее магнитное поле. Вследствие перемещения магнитного носителя с записанной на нем сигналограммой относительно головки происходит обратное преобразование магнитного поля участков носителя в переменную ЭДС, которая индуктируется в обмотке вследствие замыкания через сердечник переменного магнитного потока.

Запись и воспроизведение могут осуществляться с помощью одной и той же магнитной головки (рис.9.1). Магнитная головка представляет собой незамкнутый ферромагнитный сердечник 1 с технологическим зазором 2, обмоткой 3 и рабочим зазором 4. Через обмотку 3 проходит ток сигнала. Часть магнитного потока, выходящего из сердечника головки у рабочего зазора, замыкается через немагнитную основу носителя 6, а основная часть потока пронизывает его ферромагнитный слой 5. Изменения тока в обмотке головки связаны с изменением магнитного потока в сердечнике и остаточной намагниченностью магнитного слоя носителя.

Рис. 9.1. Магнитная головка: 1 -- магнитопровод; 2 -- технологический зазор; 3 -- обмотка; 4 -- рабочий зазор; 5 --ферромагнитный слой; 6 -- основа носителя

К сердечнику головки предъявляются особые требования как по магнитным характеристикам, так и по механическим свойствам: материал сердечника головки должен иметь малое значение коэрцитивной силы, чтобы остаточная намагниченность сердечника была небольшой; сердечник должен обладать высокой магнитной проницаемостью, т.е. малым магнитным сопротивлением, а также иметь малые частотные потери. Материал сердечника должен допускать точную обработку зазора и рабочих поверхностей и при этом быть износостойким.

Потери электрической энергии в сердечниках головок обусловлены гистерезисными потерями и потерями на вихревые токи. Гистерезисные потери малы, так как объем магнитного материала небольшой. Основные потери определяются вихревыми токами. Для уменьшения потерь магнитные головки изготавливают из материалов с высоким удельным сопротивлением (например, из феррита). Рабочий зазор сердечника образован немагнитной прокладкой, обычно в виде тонкого слоя моноокиси кремния, толщиной около 1 мкм.

Качество записи сигнала в значительной степени зависит от свойств и характеристик магнитного носителя. Если в качестве носителя используется магнитная лента, ее магнитные и механические характеристики должны соответствовать определенному набору требований, определяемых стандартом на данный тип видеозаписи. В процессе эксплуатации лента подвергается значительным механическим нагрузкам, испытывая большое давление; деформацию, поэтому должна удовлетворять высоким прочностным характеристикам. Рабочий магнитный слой должен иметь высокую износо- и термостойкость, обладать большой остаточной намагниченностью для получения высокого отношения сигнал/помеха, большой коэрцитивной силой, чтобы он не размагничивался под действием магнитных полей соседних участков и не испытывал влияния внешних полей на записанную сигналограмму. В технике магнитной видеозаписи применяются двухслойные ленты (см. рис. 9.1), состоящие из рабочего магнитного слоя 5 и основы 6, придающей ленте механическую прочность.

Основа ленты изготавливается из эластичной полиэфирной пленки, отличающейся высокой прочностью на разрыв, износостойкостью и стабильностью характеристик. Толщина основы составляет 8...37 мкм. Рабочий слой состоит из магнитного порошка и связующего материала, который одновременно является лаковым покрытием и обладает кроме высокой износо- и термостойкости еще и гладкостью поверхности. Кроме того, в рабочий слой вводят смазочные вещества, снижающие трение, и астатические добавки. Например, магнитный порошок из гамма-окиси железа имеет игольчатую форму длиной кристалликов не более 0,3...0,5 мкм диаметром примерно 0,03 мкм.

Длина волны записи на магнитном носителе зависит от частоты сигнала записи и скорости движения носителя относительно записывающей головки:

л = v/f, (1)

где л -- длина волны записи, м; v -- скорость движения носитель- элемент записи, м/с; f - частота записанного сигнала, Гц.

Легко подсчитать, что для записи л = 1 мкм на частоте f = 6 МГц требуемая скорость движения магнитной ленты относительно головки должна составлять б м/с, или 360 м/мин. Для продольного, как в звуковом магнитофоне, расположения дорожек записи на ленте, такая скорость транспортировки ленты неприемлема.

Скорость движения ленты может быть снижена, как видно из (1), если уменьшить минимальную длину волны записи v = лf, или понизить частоту записываемого сигнала. Минимальную длину волны можно получить уменьшением рабочего зазора магнитной головки а. На практике обычно выполняется условие а/л_max=0,5 или л_max=2a. Отсюда f_max =v/2a. Следует отметить, что для хорошо выполненных головок эффективная ширина щели превышает ее геометрический размер всего на 10...15 %. Поэтому можно считать минимальную длину волны записи равной удвоенной ширине зазора головки [77]. Однако технологически трудно реализовать эффективный рабочий зазор столь малой ширины, а уменьшение частоты записываемого сигнала приводит к снижению качества изображения.

Частотные характеристики записывающего и воспроизводящего устройств ограничиваются в нижней и верхней частях частотного диапазона из-за наличия различных потерь. Основными являются волновые потери, которые зависят от магнитных и механических свойств ленты, электрических и конструктивных параметров головок и определяются параметрами узла лента-головка и длиной волны записанного сигнала. К этим потерям относятся щелевые, слойные, контактные.

Если магнитный слой недостаточно тонок или ухудшается плотность соприкосновения головки с лентой, магнитное поле выходит за пределы рабочего зазора а, значительно увеличивая эффективную ширину щели. Это приводит к ухудшению записи высокочастотных составляющих сигнала. Следовательно, магнитный слой ленты должен быть тонким и очень гладким, так как только в этом случае обеспечивается наилучший механический контакт с рабочей поверхностью головки. Плотность прилегания ленты к плоскости головки зависит также и от материала основы ленты. Ленты с тонкой эластичной основой обеспечивают более плотное прилегание к рабочей поверхности головки, чем ленты с толстой основой.

Качество магнитной записи ТВ сигналов в основном определяется мерами по уменьшению волновых потерь. Созданы ленты с тонким магнитным слоем, с хорошей однородностью магнитного порошка, с гладкой поверхностью и с эластичной основой. Уменьшение щелевых потерь достигается совершенствованием технологии изготовления головок с узкими рабочими зазорами.

Важным параметром магнитной записи является частотная характеристика узла лента-головка. Если на магнитную ленту записан синусоидальный сигнал с круговой частотой щ, то в идеальной магнитной системе при отсутствии искажений распределение магнитного потока по оси ленты (координата ,т)

Ф=Ф₀sin(щ/v)x, (2)

где Ф₀ -- амплитуда магнитного потока; v3 -- скорость перемещения ленты относительно головки при записи.

При обратном преобразовании магнитного поля участков носителя ЭДС, которая индуктируется в витках обмотки головки движущейся магнитной лентой, пропорциональна скорости изменения потока wdФ/dt, где w -- число витков обмотки головки.

Чтобы продифференцировать выражение (2), заменим переменные: вместо изменения магнитного потока по координате х введем изменение сигнала по времени t, т.е. x=v_Bt, где v_B -- скорость перемещения ленты относительно головки при воспроизведении.

При v_з=v_В (т.е. скорости записи и воспроизведения одинаковы)



Рис. 9.2. Частотная характеристика ленты-головки

где Е -- ЭДС, наводимая в обмотке головки.

Если скорость движения ленты относительно головки постоянна, то из (3) следует, что ЭДС меняется пропорционально частоте сигнала. При увеличении частоты сигнала в два раза, что соответствует ее повышению на одну октав, ЭДС также возрастает в два раза (на 6 дБ).

На рис. 9.2 показана идеализированная частотная характеристика узла лента-головка (сплошная линия). Это наклонная прямая с крутизной наклона 6 дБ на октаву. Очевидно, что даже при такой идеализированной форме частотной характеристики возникают искажения ТВ сигнала, которые необходимо корректировать в электрических цепях записи и воспроизведения. Реальная частотная характеристика узла лента-головка, показанная на рис. 9.2 штриховой линией, существенно отличается от идеальной на краях частотного диапазона. В нижней части частотного диапазона искажения обусловлены тем, что магнитный поток сигналограммы в области длин волн, превышающих длину контакта рабочей поверхности головки с лентой, не замыкается полностью через сердечник головки. Значительная его часть рассеивается или замыкается через одну половину сердечника, не пересекая обмотку. Чем больше длина волны записи, тем больше сказываются эти потери.

При записи и воспроизведении сигнала высоких частот неравномерность частотной характеристики ленты-головки обусловливается искажениями вследствие соизмеримости ширины щели головки и длины волны записи. При очень малых длинах волн за время прохождения элемента ленты по всему участку магнитного поля записывающей головки сигнал может измениться и далее переменить полярность. Обратная полярность сигнала приведет к некоторому размагничиванию элемента ленты и снижению эффективности записи высокочастотных составляющих сигнала. При различных соотношениях длины волны записываемого сигнала и рабочей ширины щели при воспроизведении в магнитной головке меняется значение магнитного потока, обусловленное изменением намагниченности носителя по длине. Это вызовет резкую неравномерность частотной характеристики с максимумами и минимумами в области высоких частот.

Отношение частот f_max/f_min телевизионного сигнала определяет отношение л_max/л_min. Если на магнитной ленте записана сигналограмма с длиной волны л_min ? 3 мкм. максимальная длина волны записи при f_max = 6,5 МГц и f_min = 50 Гц составит л_max = л_min(f_max/f_min)=3*10^-6 * 6,5*10⁶/50 ? 0,4 м, что примерно в 100 раз превышает длину рабочей поверхности головки. Для получения достаточного уровня оптимальным является тот сигнал, длина волны которого не превышает длину рабочей поверхности головки. При определенных значениях низкочастотных составляющих сигнала ЭДС воспроизводящей головки ниже уровня шумов Еш. поэтому полезный сигнал практически полностью маскируется шумами (см. рис. 9.2).

Профессиональные аудиомагнитофоны обеспечивают запись звуковых сигналов в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, что составляет 10 октав. Телевизионный сигнал занимает полосу частот от 50 Гц до 6.5 МГц. что составляет 17 октав.

Оптимальные режимы записи для сигналов, отличающихся по частоте в 10 раз. существенно различны. Осуществить эффективную запись сигналов в частотном диапазоне, занимающем 17 октав, еще сложнее. Поэтому при записи видеосигнала необходимо уменьшить отношение высшей частоты в спектре записываемого сигнала к низшей, т.е. произвести относительное сжатие спектра. В этом случае условия записи и воспроизведения тем более благоприятны, чем выше степень сжатия. Это объясняется двумя причинами: легче выбрать оптимальный режим намагничивания; при узкополосном сигнале используется относительно меньшая часть АЧХ тракта и, следовательно, АЧХ тракта в пределах полосы пропускания оказывается более равномерной. При этом отношение сигнал/помеха должно оставаться достаточно высоким во всем диапазоне частот.

Относительное сжатие частотного диапазона обеспечивается переносом (транспонированием) спектра записываемого ТВ сигнала в более высокочастотную область. Очевидно, чем дальше вправо по оси частот перенесен спектр сигнала, тем меньше разница между f_min и f_min, т.е. больше относительное сжатие. Однако при этом растет требуемая максимальная частота сигнала записи.

Запись высоких частот представляет собой сложную техническую задачу, поэтому для упрощения и удешевления аппаратуры спектр частот сигнала переносят вверх по оси частот примерно на 1 МГц, что обеспечивает относительное сжатие спектра записываемого сигнала до трех октав.

Транспонировать спектр можно, используя модуляционный метод преобразования. В результате улучшаются условия воспроизведения нижних частот сигнала, сокращается относительный динамический диапазон частот, повышается максимальное значение частоты записываемого сигнала.

Применять амплитудную модуляцию (AM) при записи телевизионных сигналов нецелесообразно несмотря на то. что она позволяет минимально расширить спектр частот (в 2 раза при передаче двух боковых). При AM невозможно устранить паразитную амплитудную модуляцию, возникающую из-за помех. Такими помехами являются: непостоянство контакта лента-головка, неоднородность магнитного слоя ленты, продольные колебания ленты и др.

При использовании частотной модуляции (ЧМ) паразитная AM устраняется глубоким ограничением ЧМ сигнала. Однако обычная ЧМ приводит к значительному увеличению спектра частот выходного сигнала. Если, например, использовать параметры ЧМ, применяемые в радиовещании, спектр частот будет шире в 5...10 раз. Запись на магнитную ленту такого широкого спектра частот -- технически сложно реализуемая задача.

При модуляции несущей гармоническим колебанием частотой Щ ЧМ колебание можно представить следующим выражением:

где U -- амплитуда несущей; щ₀-- круговая частота несущей; ?щ -- девиация частоты; Щ -- модулирующая частота.

Одним из основных параметров ЧМ является индекс модуляции М = ?щ/Щ = ?f/F -- девиация частоты; F -- модулирующая частота.

Как известно, при увеличении М растет помехозащищенность системы, поэтому в радиовещании выбирают М >>1. В первом приближении ширина спектра ЧМ сигнала ?F_ЧМ = 2F_max(M + 1), где тах -- максимальная частота модулирующего сигнала. Следовательно, выбор большого индекса модуляции М приводит к значительному расширению спектра частот. При модуляции сложным сигналом, какими являются звуковой и ТВ сигналы, индекс модуляции - величина переменная. В магнитной записи ТВ сигналов принято использовать узкополосную ЧМ с индексом модуляции М < 1 и низким отношением несущей частоты f₀ к высшей модулирующей частоте F_max. При этом ширина спектра ЧМ сигнала мало отличается от спектра AM сигнала и примерно равна удвоенной ширине спектра модулирующего колебания. Низкое отношение f₀/F_max выбирается для уменьшения максимальной частоты спектра записываемого сигнала. Несущая частота применительно к модуляции видеосигналом -- понятие, которое трудно определить. В магнитной видеозаписи принято считать частоту ЧМ сигнала, соответствующую мгновенному значению среднего уровня сигнала, несущей частотой f₀.

Как видно из рис.9.3,а, несущая частота f₀ незначительно выше модулирующей частоты F_max. При М = 0,1...0,2 спектр ЧМ сигнала имеет вид рис.9.3,б. В некоторых профессиональных устройствах магнитной записи, где требуется высокое качество воспроизведения, используются обе боковые полосы ЧМ сигнала, а в бытовых -- нижняя и частично подавленная верхняя боковая (рис.9.3,е). Это приводит к дополнительным искажениям, которые считаются допустимыми для данного класса устройств.

Таким образом, используемая в магнитной видеозаписи частотная модуляция отличается от обычных систем ЧМ двумя основными особенностями:

1)несущая частота незначительно превышает верхнюю модулирующую частоту;

2)индекс модуляции значительно меньше, чем в других системах с ЧМ.

Для обеспечения обмена программами частоты, соответствующие определенным уровням ТВ сигнала, стандартизованы. Это нормирование частоты ЧМ сигнала называется расстановкой частот.

Рассмотрим преобразование ТВ сигнала в ЧМ сигнал и его запись на магнитную ленту (рис.9.4). Объект передачи (рис. 9.4,а), состоящий из протяженных черного и белого участков, преобразуется в ТВ сигнал и_с.

Рис. 9.3. Идеализированные спектры ТВ и ЧМ сигналов



Рис. 9.4. Преобразование ТВ сигнала в ЧМ сигнал и его запись на магнитную ленту: а -- участок изображения по строке (черно-белый переход); б -- осциллограмма видеосигнала; в -- осциллограмма ЧМ сигнала; г -- результат действия магнитного поля головки

Далее сигналом и_с модулируется генератор, па выходе которого получается ЧМ сигнал и_ЧМ, который подается на записывающие головки; Т_ч и Т_б -- периоды ЧМ колебаний, соответствующие передаче уровней черного и белого. В результате воздействия магнитного поля головки на ленту она намагничивается, и остаточная намагниченность может быть представлена в виде элементарных магнитов, расположенных по длине ленты (рис.9.4.г). Магнитная индукция для черного и белого участков одинакова -- материал доведен до насыщения. Информация отразилась па ленте в линейной плотности переходов (нулей) намагниченности.

Частотные модуляторы и демодуляторы для магнитной записи ТВ сигналов

Преобразование ТВ сигнала в ЧМ сигнал осуществляется в ЧМ генераторах. Магнитная запись сигналов диктует определенные требования к параметрам системы ЧМ. Это малые нелинейные искажения модуляционной характеристики (не более 1...2 %), исключение прямого прохождения модулирующего сигнала в канал ЧМ, небольшое значение паразитной амплитудной модуляции.

В современных устройствах записи используются два вида частотных модуляторов: гетеродинные и прямые.

Гетеродинный модулятор (модулятор с переносом спектра) работает на высокой частоте (50...100 МГц), которая в последующем понижается другим генератором до требуемой частоты. Прямой модулятор (чаще мультивибратор) работает на той частоте, которая записывается на ленту.

В профессиональных устройствах записи, где требуется высокое качество изображения, используют гетеродинные модуляторы. Структурная схема такого модулятора показана на рис. 5,а. На усилитель подается полный ТВ сигнал, который на выходе разветвляется на два одинаковых канала, состоящих из двух высокочастотных генераторов Г₁ и Г_з со средними частотами 100 и 108 МГц соответственно. Восстановление постоянной составляющей ТВ сигнала осуществляется с помощью схем BПC₁ и ВПС₂. Далее ТВ сигнал подается на варикапы B₁ и В₂, емкость которых зависит от напряжения. Эта емкость входит в колебательный контур генераторов Г₁ и Г₂ и определяет генерируемую ими частоту. Варикапы управляются противофазно. При увеличении напряжения на входах генераторов частота одного генератора уменьшается, а другого -- повышается. Если входное напряжение равно 0, то частота выходного сигнала равна разности частот f₂ - f₁ = 108 - 100 = 8 МГц.

Если крутизна модуляционной характеристики каждого генератора равна 1 МГц/В, то при увеличении напряжения на 0,5 В выходной разностный сигнал будет иметь частоту f₂ - f₁ = =108,5 -- 99,5 = 9 МГц, а при уменьшении сигнала на 0,5 В f₂ - f₁ =107,5 --100,5 = 7 МГц. Следовательно, при ивх ~ 1 В девиация частоты равна ±1 МГц.

Так как девиация составляет 1.0 % несущей частоты, линейность модуляционной характеристики достаточно высокая. Кроме того, двойная противофазная модуляция двух генераторов позволяет скомпенсировать нелинейные искажения, возникающие в каждом генераторе (рис. 9.5,9.6).

Для устранения паразитной амплитудной модуляции ЧМ сигнал от каждого генератора поступает на амплитудные ограничители Огр₁, Огр₂, затем на смеситель См, где выделяется разностная частота. Фильтр нижних частот и усилитель необходимы для окончательного формирования ЧМ сигнала.

В бытовых видеомагнитофонах частотные модуляторы чаще всего строят по схеме мультивибратора. Частота собственных колебаний мультивибратора, как известно, зависит от постоянной времени зарядно-разрядной цепи и от напряжения смещения. Если в качестве смещения подать модулирующий сигнал, то мгновенная частота колебаний мультивибратора будет меняться в соответствии с размахом сигнала. Из-за существенных недостатков (нелинейность модуляционной характеристики и др.) ЧМ прямого типа не применяются в профессиональных видеомагнитофонах.

Рис. 9.5. Гетеродинный частотный модулятор: а -- структурная схема; 6 -- получение линейной модуляционной характеристики

При выборе метода детектирования ЧМ сигнала, воспроизведенного с магнитной ленты, необходимо учитывать, что демодулятор должен обеспечивать: линейную демодуляционную характеристику в широкой полосе частот, возможность разделения спектра модулирующего и модулированного сигналов при модулирующих частотах, близких к несущей. В настоящее время наиболее распространены демодуляторы -- дискриминаторы в виде счетчика импульсов с удвоением частоты. Принцип действия такого дискриминатора заключается в выделении нулевых пересечений ЧМ сигнала и в определении частоты повторения этих пересечений. Структурная схема такого демодулятора и графики, поясняющие его работу, показаны на рис.6б. Сигнал ЧМ поступает на фильтр ПФ, ограничивающий полосу частот сигнала U_ЧМ. Частотно-модулированное колебание после глубокого двустороннего симметричного ограничения в Огр, где подавляется паразитная AM, примет вид U_огр. После дифференцирующих цепей (ДЦ) в точках пересечения ЧМ сигнала с нулевой осью формируются импульсы U_диф. В формирователе сигнала ФС из дифференцированных импульсов формируются однополярные сигналы с удвоенной частотой U_форм. Число импульсов, приходящих в единицу времени, прямо пропорционально частоте ЧМ сигнала, поэтому, выделив низкочастотную составляющую из этой последовательности импульсов ФНЧ, полоса пропускания которого соответствует полосе частот ТВ сигнала, на выходе получим исходный ТВ сигнал U_ТВ.

Рис. 9.6. Демодулятор: а-- структурная схема; б -- графики, поясняющие работу

Методы магнитной записи телевизионных сигналов

Общие сведения. Наиболее распространенным в настоящее время является метод наклонно-строчной магнитной записи телевизионных сигналов на магнитную ленту блоком вращающихся магнитных головок, обеспечивающий высокую скорость перемещения ленты относительно записывающей (воспроизводящей) головки. Видеомагнитофоны -- устройства, обеспечивающие запись телевизионных сигналов на магнитную ленту и воспроизведение телевизионных изображений -- могут строиться по различным схемам, в зависимости от назначения. Современный видеомагнитофон представляет собой сочетание сложного механического и электронного устройств. В него входят: механизмы транспортировки ленты и вращения головок, которые работают одновременно и синхронно, что обеспечивается различными по принципу действия следящими системами; блоки преобразования и обработки широкополосного видеосигнала, устройства различных видов коррекции и устранения влияния помех на выходной сигнал.

Техника магнитной записи обеспечивает запись-воспроизведение сигналов с длиной волны л_min = 1 мкм и менее. Для записи телевизионного сигнала с высшей частотой f_max = 6 МГц потребуется скорость записи и_з = f_maxл = 6 м/с. Транспортировка магнитной ленты с такой скоростью при продольном, как в аудиомагнитофоне, расположении дорожек записи нецелесообразна из-за сложности реализации, нерационального использования площади пленки (низка плотность записи) и большого расхода ленты.

Решающим шагом в развитии техники магнитной записи телевизионных сигналов явилось создание аппаратуры, использующей методы поперечно-строчной и наклонно-строчной записи. При этом и запись, и воспроизведение осуществляются головками, которые располагаются на вращающемся диске. Следовательно, скорость перемещения ленты-головки v_л-г определяется геометрической суммой окружной линейной скорости вращения головки vr и скорости поступательного движения ленты v_л: v_л-г = v_г + v_лcosи , а колебания относительной скорости ?v_л-г определяются как сумма двух составляющих колебаний скорости:

?v_л-г ? ?v_г ± ?v_лcosи (4)

где и -- угол наклона строчки записи, или угол между векторами скорости v_г и v_л.

Первоначально при поперечно-строчной записи использовался блок видеоголовок (БВГ) с четырьмя магнитными головками. В настоящее время при повсеместном использовании принципа наклонно- строчной записи БВГ могут содержать две, четыре, шесть (а в цифровых видеомагнитофонах и большее число) вращающихся головок. Название метода записи ~ «поперечно-строчный» или «наклонно- строчный» -- определяется расположением магнитных строчек на ленте. Если строчки записи располагаются почти перпендикулярно основанию ленты, запись называется поперечно-строчной, если же строчки записи образуют с нижним краем ленты небольшой угол, запись называется наклонно-строчной. Принцип поперечно-строчной и наклонно-строчной записи показан на рис. 9.7.

В устройствах с поперечно-строчной записью (рис.9.7,а) плоскость ленты 2 перпендикулярна вращающемуся диску 4 с четырьмя головками 3. В том месте, где головки соприкасаются с поверхностью ленты, она изгибается с помощью вакуумной направляющей камеры 1.

Соприкасаясь с лентой и передвигаясь в поперечном направлении относительно нее, головка оставляет магнитный след в виде вертикальной магнитной строчки. Так как лента движется в продольном направлении, то следующая головка приходит в контакт с ней на некотором расстоянии от предыдущей магнитной строчки, образуя таким образом последовательность магнитных строчек, расположенных под углом 90°33' относительно края ленты.

Рис. 9.7. Методы записи сигнала на магнитную ленту: а -- поперечно-строчная; 6, в -- наклонно-строчная

Аппаратура наклонно-строчной записи (рис.9.7,.6) с двумя вращающимися головками содержит направляющий барабан 6, состоящий из двух частей, между которыми вращается диск с головками 3. Головки выступают над поверхностью барабана и записывают строчки на ленте. Головки сдвинуты относительно друг друга на 180°. Лента может охватывать барабан на угол 360° (б-петля, рис.9.7,6) и меньше 360° (Щ-петля, рис. 9.7,в). В результате того, что диск с головкой вращается в горизонтальной плоскости, а лента охватывает направляющий барабан по спирали (лента входит в контакт с направляющим барабаном на одном уровне, а выходит на другом), сигналограмма на магнитной ленте 5 записывается наклонно к краю лепты.

На магнитной ленте кроме сигналов изображения записываются еще и сигналы звукового сопровождения, сигналы управления и режиссерских указаний. В видеомагнитофонах разных стандартов эти сигналы записываются различными методами и в различных местах ленты.

Однозначно определить метод записи и расположения дорожек на магнитной ленте позволяет формат записи, который регламентирует упорядоченное расположение на поверхности ленты строчек и дорожек, намагниченных под действием разнообразных сигналов. Описание формата и его параметров позволяет понять, каким образом производится запись или воспроизведение информации. Стандартизация параметров записи обеспечивает взаимозаменяемость записей, изготовленных различными фирмами, и делает возможным их воспроизведение на различных видеомагнитофонах данного формата. Это позволяет осуществлять обмен телевизионными программами.

За время развития магнитной видеозаписи было разработано большое количество разнообразных аналоговых и цифровых форматов. Метод поперечно-строчной магнитной записи (формат Q) устарел и в настоящее время практически не применяется из-за сложности и громоздкости аппаратуры. Ему на смену пришли новые наклонно-строчные форматы на ленте различной ширины (25,4; 19,01; 12,65; 8,0; 6,35 мм).

Принцип действия наклонно-строчной записи для одноголовочного видеомагнитофона с б-петлей иллюстрируется рис.9.7,6. Поверхность неподвижного барабана облегает по спирали равномерно движущаяся магнитная лента шириной 25,4 мм. Смещение ленты по образующей барабана не меньше ширины ленты. Во избежание чрезмерных поперечных усилий на ленту и для придания ей естественного положения направляющий барабан несколько наклонен, а подающая и приемная бобины устанавливаются на разных высотах. Барабан состоит из двух частей -- верхней и нижней. В зазоре между ними расположен вращающийся диск с магнитной головкой. Двигатель внутри барабана вращает выступающую над поверхностью барабана магнитную головку с частотой 3000 об/мин (число оборотов связано с числом полей) и прочерчивает на ленте прилегающие друг к другу наклонные дорожки длиной около 400 мм под углом 3.. .5° относительно края ленты. За один оборот диска с головкой на магнитной ленте записывается один полукадр. При этом относительная скорость v_л-г достигает 40 м/с, а скорость движения ленты около 40 см/с.

Звуковой и контрольный сигналы записываются на краях магнитной ленты. Перекрытие дорожки ТВ сигнала дорожками звукового и контрольного сигналов не приводит к взаимным искажениям, так как края ленты, где записываются звуковой и контрольный сигналы, соответствуют месту записи кадрового гасящего импульса, т.е. обратному ходу по кадрам. Проникновение же ТВ сигнала в канал звука исключается из-за различной полосы частот этих сигналов и различного углового расположения зазоров магнитных дорожек. Благодаря этим обстоятельствам взаимное влияние сигналов значительно ослаблено.

Переход головки от одного края ленты к другому приводит к провалу в записи. При использовании одной головки неизбежно часть информации, достигающая во времени 40...50 мкс. теряется. Чтобы исключить искажения от этих явлений, время перехода головки обычно совмещают с длительностью кадрового гасящего импульса. При этом потерянные импульсы восстанавливаются с помощью специального регенератора.

Аналогичен принцип действия одноголовочного видеомагнитофона с Щ-петлей (см. рис.7,в): магнитная лента облегает барабан по спирали на угол меньше 360°. Нижний край ленты, покидающий барабан, располагается несколько ниже верхнего края ленты, поступающей на него. Обычно угол охвата барабана лентой не превышает 350°. Это приводит к выпадению сигнала при переходе видеоголовки с одного края лепты на другой. Углу 10° соответствует выпадение примерно восьми строк (около 500 мкс). Восстановление потерянных строк, приходящихся па первый гасящий импульс, осуществляется аналогично описанному выше.

Видеомагнитофон наклонно-строчной записи с двумя вращающимися головками с Щ-петлей устроен так же, как и одноголовочный, но на вращающемся диске размещаются две магнитные головки, а угол охвата барабана лентой составляет несколько больше 180°, образуя неполный виток спирали.

На одной магнитной дорожке записывается одно ТВ поле, поэтому частота вращения диска с головками для стандарта 50 полей в секунду должна быть 1500 об/мин. Так как угол охвата больше чем 180°, информация на смежных магнитных дорожках записывается с взаимным перекрытием, а воспроизводится непрерывно, без потерь.

2.Структурная схема канала записи

Канал записи яркостного сигнала входит в состав блока видео- и звукового каналов (БВЗ). Блок обеспечивает обработку телевизионных сигналов и сигналов звукового сопровождения при их записи на магнитную ленту и воспроизведение с нее. Кроме канала яркости, БВЗ содержит каналы обработки цветовых и звуковых сигналов. В канале яркости в режиме “Запись” происходит ограничение полосы частот телевизионного сигнала, преобразование его в частотно-модулированные колебания, усиление последних и подача их на видеоголовки. Структурная схема канала записи яркостного сигнала изображена на рис.9.8.

Основой канала записи яркостного сигнала является многофункциональная микросхема 1DA1 КР1005ХА4. При записи входной телевизионный (видео) сигнал подается на устройство АРУ (1), которое поддерживает постоянным его уровень на входе частотного модулятора канала яркости. Работу схемы АРУ обеспечивают селектор СИ и детектор (5), входящие также в состав микросхемы 1DA1. Принцип реализации ключевой АРУ заключается в формировании инвертированных относительно ССИ, и задержанных на время их длительности положительных импульсов, амплитуда которых несколько больше уровня белого на выходе ФНЧ (6). С выхода формирователя (3) эти импульсы поступают на сумматор (4), где добавляются к записываемому сигналу, и детектор (5), управляющий коэффициентом усиления усилителя (1). В результате АРУ в целом оказывается чувствительной только к изменениям амплитуды входных ССИ.



Рис.9.8. Структурная схема канала записи яркостного сигнала

Поэтому в схемотехническую реализацию современных устройств АРУ, кроме усилителя (1) с управляемым коэффициентом, всегда входит селектор строчных импульсов (2).

С выхода устройства АРУ сигнал через ФНЧ (6) 1Z1, подавляющий сигналы цветности. Записываемый видеосигнал разделяется фильтрами наяркостную и цветовую составляющие, как показано на рис.9.9.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.9.9. АЧХ разделения сигналов яркости (а) фильтр 6) и цветности

К характеристикам фильтров, используемых в магнитной видеозаписи, предъявляются противоречивые требования. ФНЧ (6) должен иметь равномерную АЧХ в полосе пропускания, малый интервал среза, большое затухание и линейную ФЧХ. Ни один из качественных фильтров этим условиям не удовлетворяет. Поэтому наиболее часто употребляются так называемые переходные фильтры Баттерворта-Томпсона, монотонная АЧХ которых приближается к максимально плоской характеристике фильтра Баттерворта, а линейность ФЧХ обеспечивает приближение к максимально плоской характеристике группового времени запаздывания фильтра Бесселя (Томсона). Обычно применяют пассивные фильтры 3-6 порядков.

После ФНЧ (6) 1Z1, ключевой каскад (микросхема 1DA1) и построечный резистор 1R9, видеосигнал поступает на усилитель (7) с усилением 12 дБ. С помощью резистора 1R9 устанавливается уровень девиации частоты модулятора. Далее сигнал проходит через нелинейный корректор (8), выполненный на транзисторе 1VT1 с частотно-зависимой цепью и диодами Шотки в цепи базы. При больших уровнях сигнала эта цепочка преобразуется в RC-цепь, показанную на рис.9.10.

Рис.9.10. Схема RC-цепи нелинейного корректор

При малых уровнях из-за уменьшения проводимости диодов ослабляется влияние конденсатора С2 и в предельном случае постоянная времени цепи Т2 уменьшается до минимума. При последующем усовершенствовании видеотракта разработчики оптимизировали параметры цепи нелинейной коррекции, тем самым увеличив относительный подъем верхних частот. С целью получения таких параметров цепи в видеомагнитофоне “ Электроника ВМ-12 ” необходимо, чтобы конденсатор С1 имел емкость 82 пФ, конденсатор С2 - емкость 43 пФ, а резистор R1 - сопротивление 4,7 кОм. Таким образом, схема нелинейной коррекции обеспечивает относительное повышение уровня записи малых ВЧ-составляющих видеосигнала, что улучшает четкость воспроизводимого изображения.

Дальнейшая обработка сигналов при записи проводится после восстановления постоянной составляющей видеосигнала фиксатором уровня (9). В видеомагнитофоне “Электроника ВМ-12 ” используется ключевой фиксатор уровня, управляемый от селектора строчных СИ. За счет этого уровни вершин СИ в записываемом сигнале стабилизируются, что повышает точность последующего преобразования записываемого сигнала в ЧМ.

После фиксации уровня записываемый сигнал повергается линейным предыскажениям. В этом каскаде (10), как и во всех случаях частотной модуляции, осуществляется подъем амплитуды верхних частот перед модуляцией с последующей обратной коррекцией сигнала при воспроизведении. Необходимость введения линейных предыскажений вызвана тем, что влияние ВЧ-составляющих шума на воспроизводимый сигнал сказывается значительно сильнее, чем низкочастотных. Поэтому увеличение индекса модуляции для верхних частот при записи приводит к относительному ослаблению влияния шумов, но должно быть учтено при воспроизведении введением соответствующей коррекции. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) формирователей нелинейных и линейных предыскажений изображены на рис.9.11.

Рис.9.11 АЧХ формирователей предыскажений (1-нелинейных, 2-линейных)

Введение линейных предыскажений порождает выбросы в записываемом сигнале на фронтах импульсов синхронизирующей составляющей и контрастных переходах изображения. Поэтому обычно степень ВЧ предыскажений не превосходит +15 дБ и вводится двухстороннее ограничение (11) записываемого сигнала перед преобразованием его в ЧМ сигнал. Для формата VHS уровни ограничения составляют -40% от уровня вершин синхроимпульсов и +60% от уровня белого, где за 100% принимается размах видеосигнала.

В частотном модуляторе телевизионный сигнал модулирует колебания генератора таким образом, что уровню СИ соответствует частота 3,8 МГц, а уровню белого 4,8 МГц. При этом девиация частоты равна 1МГц. В качестве частотного модулятора применяют мультивибраторные схемы с эммитерной связью и одним конденсатором, удобные с точки зрения микроэлектронной реализации.

Спектр сигнала на выходе частотного модулятора зависит от формы его колебаний, в частности от соотношения длительностей положительных и отрицательных полуволн. Асимметрия колебаний приводит к появлению четных гармоник несущей частоты, спектр которых с учетом боковых составляющих может перекрываться со спектром исходного сигнала и создавать помеху при демодуляции.

Полученный в результате ЧМ- сигнал яркости снимается с движка построечного резистора 1R22, с помощью которого устанавливают ток записи в видеоголовках и через ФВЧ (13) проходит на сумматор (14). В эту точку поступает преобразованный сигнал цветности. ФВЧ подавляет составляющие спектра ЧМ колебаний в полосе частот 0 - 1,5 МГц, иначе они будут мешать записываемым в этой полосе сигналам цветности.

Суммарный ЧМ сигнал поступает на вход усилителя тока записи (15), обеспечивающего его преобразование в ток записи, протекающий через обмотку ВГ. Нагрузкой усилителя записи являются БВЗ (16), в котором расположены видеоголовки В1 и В2, выполненные с сердечником из монокристаллического феррита и небольшим числом витков обмоток. За счет этого уменьшается эффективность обмоток и улучшается потокосцепление обмоток с сердечником. Снижение чувствительности ВГ при этом компенсируется применением повышающего трансформатора, выполненного в виде бесконтактного ферритового токосъемника, неподвижная секция которого содержит больше витков, чем вращающая часть. Выбор коэффициента трансформации токосъемника производится, исходя из получения оптимального отношения сигнал-шум в канале воспроизведения и согласования нагрузки с выходным каскадом усилителя записи. Типовая АЧХ усилителя записи по току в первичной обмотке токосъемника показана на рис.9.12.

Рис.9.12. АЧХ усилителя записи и ЭДС воспроизведения

Падающий участок АЧХ обусловлен уменьшением модуляционной способности магнитной ленты при малых длинах волн записи имеет крутизну порядка - 3 дБ на октаву и приблизительно соответствует границе области электромагнитного насыщения системы видеоголовка - магнитная лента. По формату VHS оптимальное значение тока записи в обмотках ВГ соответствует границе насыщения при частоте записываемого сигнала 4 МГц.

Следовательно, с той же точностью должны подбираться пары ВГ перед установкой их в БВГ.

3. Описание лабораторного макета

Структурная схема лабораторного макета изображена на рисунке 9.13.

На лицевой панели макета изображена структурная схема канала записи яркостного сигнала видеомагнитофона (ВМ) “ Электроника ВМ - 12 ”, на которой выведены все контрольные точки канала яркости Х1-Х9 и находятся внешние органы управления: SА1- тумблер включения питания устройства формирования измерительного сигнала (УФИС), SА2 - ступенчатый аттенюатор (ослабляющий входной сигнал на 2, 4, 6, 10, дБ), S3 - тумблер выключения устройства АРУ и предварительного усилителя, S4 - тумблер для подключения УФИС.

Для проведения лабораторной работы также потребуется осциллограф, цветной телевизор, генератор высоких частот (ГВЧ) и генератор испытательных сигналов.

Рис.9.13. Внешний вид макета

4. Домашнее задание

4.1. Провести расчет АЧХ для схем на рисунке 9.14.

4.2. Построить графики АЧХ для случаев

а) С1 = 150 пФ, б) С1 = 82 пФ,

С2 = 82 пФ, С2 = 43 пФ,

R1 = 2,7 кОм, R1 = 4,7 кОм,

R2 = 4,8 кОм ; R2 = 4,8 кОм.



а) б)

Рис.9.14 Схемы RC-цепи нелинейного корректора для малых (а) и больших уровней (б) сигналов

4.3. Определить постоянные времени цепи для обоих случаев.

4.4. Определить относительный подъем АЧХ в области высоких частот схемы нелинейного корректора (рисунок 5 а) по следующей формуле

K^*=K(2 МГц) / K(0,2 МГц) (5)

4.5. Сделать выводы.

5. Порядок выполнения работы

5.1. Ознакомиться с теоретическим материалом и ответить на контрольные вопросы.

5.2. Включить ВМ, монитор, осциллограф, генераторы, макет и дать им прогреться в течение 5 минут.

5.3. C ГИС на ВЧ вход ВМ подать сигнал цветных полос и зарисовать осциллограммы в контрольных точках Х1-Х9 макета.

Для проведения измерения на видеомагнитофоне нажать кнопки “сеть” и “запись”, ручкой “настройка” настроить один из каналов ВМ так, чтобы сигнал отчетливо наблюдался на экране ВКУ. На макете установить переключатели SА1 в положении “Выкл.”, SА2 в положении ”0 ”, SA3 - “Вкл.”, SA4 -“Выкл.”.

5.4. Снять амплитудную характеристику АРУ U_вых(U_вх), ослабляя аттенюатором SА2 сигнал цветных полос от 0 до 4 дБ. Построить график U_вых(U_вх).

5.4. Снять частотную характеристику U_вых(f) нелинейного корректора при U_вх = 0,2 В. Для этого подать с ГВЧ синусоидальный сигнал на гнездо Х4. Определить относительный подъем АЧХ в области ВЧ К*[дБ] на краях диапазона частот. Сравнить полученные данные с расчетными. Амплитуду входного сигнала контролировать осциллографом (гнездо Х4*).Частоту входного сигнала менять в пределах 0.2 - 2 МГц. Положение переключателей на лабораторном макете следующие: SА1 в положении “Выкл.”,SA2 -“0”, SA3 - “Выкл.”, SA4 - “Выкл.”. Построить графк U_вых(f).

5.5. Проделать пункт 5.4 для уровня входного сигнала U_вх = 0,8 В.

5.6. Проделать пункт 5.4 для уровня входного сигнала U_вх = 1,5 В.

5.7. Снять АЧХ каскада введения линейных предыскажений U_вых(f). Для этого подать на гнездо Х10 ВЧ - синусоидальный сигнал с амплитудой 0,4 - 0,5В, а на гнездо Х11 сигнал цветных полос с видеовыхода ГИС (кнопка “Цвет”- отжата). Диапазон изменения частоты 0,2 - 2 МГц. Построить график U_вых(f).

Положения переключателей на лабораторном макете следующие: SA1 в положении “Вкл.”, SA2 - “0”, SA3 -“Выкл.”, SA4 - “Вкл.”.

5.8.Составить отчет о проделанной работе.

Внимание: графики по п.5.4-п.5.6 построить в одних координатных осях и описать их.

В выводах отметить работу АРУ, формирователей нелинейных и линейных предыскажений, их назначения; особенности и основные принципы записи видеосигнала на магнитную ленту.

6. Контрольные вопросы

Какой способ записи используется в ВМ “ Электроника ВМ-12 ”?

В каком формате записи работает ВМ “ Электроника ВМ-12 ”? Какие форматы и способы видеозаписи еще Вам известны?

Для чего в канале записи необходимо АРУ ? Какое АРУ используется в ВМ?

Нарисуйте спектральные диаграммы преобразования видеосигнала при его записи на магнитную ленту. Объясните необходимость и принципы преобразования видеосигналов перед их записью на магнитную ленту.

Объясните необходимость введения в записываемый сигнал нелинейных и линейных предыскажений.

Для чего вводится двустороннее ограничение видеосигнала?

Объясните работу нелинейного корректора по его электрической принципиальной схеме.

Какая несущая частота записываемого сигнала?

9. Нарисуйте структурную схему канала яркости. Какой обработке подвергается видеосигнал при его прохождении в канале записи?

10. Почему при записи используется узкополосная частотная модуляция?

Литература

1. Телевидение: Учеб. для вузов/ В.Е. Джакония, А.А. Гоголь, Я.В. Друзин и др.; Под ред. проф. В.Е. Джаконии.- М.:Горячая линия- Телеком, 2002.-640с.

2. Ельяшкевич С.А., Пескин А.Е., Телевизоры 3УСЦТ, 4УСЦТ, 5УСЦТ. - М.: Символ-Р, 1993. - 280с.

3. Казанцев Г.Д., Основы телевидения. - Томск, 2002. - 160с.

4. Лаврус В.С., Практика измерений в телевизионной технике, Киев.: Наука и техника, 1996. - 190с.

5. Крыжановский В.Д., Костыков Ю.В., Телевидение цветное и черно-белое. - М.: Связь, 1980. - 336с., ил.

6. Росс. Д. Телевизоры и мониторы. Ремонт, устройство и техническое обслуживание. М. изд. ДМК, 2004, 736

7. Лузин В.И., Никитин Н.П., Шестаков А.А. и др. Основы телевизионной техники Уч. пособие. М.: Солон-Р, 2003, 432 с.

8. Кузинец Л. М. Узлы телевизионных приемников: Справочник/ Л.М. Кузинец, В.С. Соколов.-М.:Радио и связь,1987.192с.

9. Гитлиц М.В., Лишин Л.Г. Видеомагнитофоны и их применение . М.: Связь, 1980. - 168 с.

10. Афанасьев А.П. Самохин В.П. Бытовые видеомагнитофоны - М: Радио и связь, 1989. - 160 с.

11. Войда З.П. Современная видеозапись - М: Радио и связь, 1987. - 380 с.

12. А.В. Лохматов, А. Н. Богушевский, В.А. Леонов Современные видеомагнитофоны и видеокассеты - Санкт-Петербург: ХП « Путь », 1992. - 124 с.

13. Справочное пособие. Обслуживание и ремонт зарубежных бытовых видеомагнитофонов. - Санкт-Петербург: « Лань », 1995. - 271 с.

Приложение

Параметры и форма ПЦВС приведены на рис.П.1.

Рис.П.1. Полный цветной видеосигнал.

Размещено на Allbest.ru

...