кодируются методом импульсно-кодовой модуляции восьмиразрядным двоичным кодом, в целом скорость цифрового потока, который должен записываться и воспроизводиться цифровым видеомагнитофоном при реализации базового стандарта цифрового телевидения 4:2:2 с учетом четырех звуковых цифровых каналов, приблизительно составляет 220 Мбит/с.

Запись такого большого цифрового потока при том же расходе магнитной ленты, как в аналоговой видеозаписи, требует значительного увеличения плотности записи (примерно в 10 раз). Достигается это как уменьшением длины волны записываемого сигнала X, т.е. повышением продольной плотности записи, так и уменьшением ширины дорожек записи (повышение поперечной плотности записи). Более предпочтительно использование узких дорожек записи.

Другой важной характеристикой систем цифровой видеозаписи является достоверность записи, определяемая вероятностью ошибки (сбоя). Ошибки могут быть как одиночные, вызванные в основном действием шума в канале записи - воспроизведения, так и групповые (пакеты ошибок), обусловленные выпадениями в воспроизводимом сигнале, которые особенно возрастают при большой плотности записи.

Достоверность видеозаписи зависит от используемого кода для снижения влияния помех в канале изображения видеомагнитофона. Известно, что цифровые ТВ сигналы стандарта 4:2:2 формируются в коде без возврата к нулю (БВН), который не имеет ограничений по длине серий 1 и 0. Однако код БВН не может быть использован непосредственно для записи на магнитную ленту цифровых ТВ сигналов. Это связано с тем, что АЧХ канала записи - воспроизведения имеет спад в области нижних и верхних частот. Отмеченные обстоятельства вынуждают прибегнуть к канальному кодированию, т.е. преобразованию исходного кода для придания ему свойств, необходимых для согласования с АЧХ тракга записи - воспроизведения,

В настоящее время известно несколько кодов, используемых в цифровой видеозаписи, например коды Рида-Соломона, Миллера,

Форматы цифровой записи ТВ сигналов. В 1986 г. был принят единый международный формат цифровой записи ТВ сигналов (D-1), в основе которого лежит стандарт цифрового телевидения 4:2:2, В этом случае осуществляется наклонно-строчная запись цифровых данных блоком из четырех видеоголовок, расположенных на диске диаметром 75 мм, вращающемся со скоростью 150 об/с. Видеозапись производится на магнитной ленте шириной 19 мм, перемещающейся со скоростью V = 286,875 мм/с. Минимальная длина волны записи Ain = 0,9 мкм. Сравнительно большое значение уменьшает влияние выпадений сигнала на качество воспроизводимого ТВ изображения.

Рис. 10.9. Расположение дорожек на магнитной ленте при цифровой записи по формату D-1

1 - монтажная звуковая дорожка; 2 - дорожка управления; 3 - дорожка временного кода

Расположение дорожек видеозаписи по формату D-1 представлено на рис. 10.9 [3]. На магнитной ленте под углом 9 = 5°2402 к базовому краю расположены строчки записи шириной 40 мкм (защитный промежуток 5 мкм), на которых записываются видео- и звукоданные. Кроме наклонных строчек на магнитной ленте имеются три продольные дорожки для записи вспомогательных сигналов. Каждая наклонная строчка записи с видео- и звукоданными (программная дорожка) содержит видеосекгор, четыре звукосекгора, размещенные в центральной части магнитной ленты, и затем снова видеосекгор.

Одно поле изображения и соответствующее ему звуковое сопровождение записываются на 12 строчках записи, на которых расположены 24 видеосекгора, образующие 6 сегментов и 48 звукосекгоров, образующих 3 сегмента (в цифровой видеозаписи наличие сегментов на воспроизводимом ТВ изображении незаметно). Организация секторов программной дорожки производится следующим образом. Сначала записывается первый сектор с видеоданными. Каждый видеосекгор содержит преамбулу с синхрословом и словом опознавания, блок данных фиксированной длины, постамбулу с синхрословом и словом опознавания - всего 21 746 байт. Каждой строке ТВ изображения (активной ее части) соответствует 1440 байт, из которых 720 байт составляет яркостный сигнал Еу, а 360 байт - сигнал цветности (два цветоразностных сигнала Еду и Ед у).

Видео- и звуковые данные перед записью подвергают обработке для защиты от ошибок. Коррекция ошибок производится на основе каскадных кодов. При этом в сигналы вводится некоторая избыточность, и скорость записываемого цифрового потока составляет 227 Мбит/с.

Однако на практике массового появления цифровых видеомагнитофонов с форматом записи D-1 не произошло из-за очень высокой стоимости. Наибольшее применение получил другой формат цифровой видеозаписи - D-2. Особенностью формата D-2 является видеозапись композитного сигнала, соответствующего цветному ТВ изображению. В этом случае запись ТВ сигналов осуществляется на магнитную ленту шириной 19 мм. Строчки записи наклонены к базовому краю ленты под углом 9 = 6°8 и содержат один видеосектор длиной 135,4 мм и четыре звукосектора. Запись осуществляется четырьмя видеоголовками, расположенными на барабане, который вращается со скоростью 75 об/с. Скорость движения ленты составляет 131,7 мм/с.

Формату цифровой видеозаписи D-2 присущи те же недостатки, что и системам цветного ТВ с передачей композитных сигналов (PAL, NTSC, SECAM). Это в первую очередь перекрестные искажения между сигналами цветности и яркости.

10.4. Оптическая запись электрических сигналов на компакт-диски

Физические основы оптической записи звуковых сигналов на диски, в последние годы все большее распространение в профессиональной и бытовой звукотехнике приобретает оптическая запись звуковых сигналов в цифровой форме. В упрощенном виде конструкция оптического диска при записи звуковых сигналов представлена на рис. 10.10. На поверхности прозрачного пластмассового диска диаметром 12 см, толщиной 1,2 мм, который играет роль защиты информационного слоя от механических воздействий, формируются маленькие углубления, называемые питами. По спиральной линии последовательно располагаются питы разной длины. При записи используются девять значений длин. Если минимальную длину пита принять за

Рис. 10.10. Конструкция цифрового компакт-диска в разрезе 1 - прозрачный пластиковый диск; 2 - отражающая металлическая пленка; 3 - непрозрачный защитный спой

3 единицы, то размерный ряд будет следующим: 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. При скорости записи 1,25 м/с длины пит соответственно равны: 0,87; 1,16; 1,45; 1,74; 2,02; 2,31; 2,6; 2,89; 3,18 мкм. Выбор такой совокупности длин отдельных пит обусловлен способом модуляции, используемым для записи цифровых звуковых сигналов на компакт-диски [4].

Расположенные в ряд питы образуют дорожку записи. Расстояние между соседними дорожками в оптическом диске равно 1,6 мкм, что соответствует примерно 625 дорожкам на 1 мм. Стандартный компакт-диск с центральным отверстием диаметром 15 мм имеет ограниченную зону записи. Ее внутренний диаметр равен 50 мм, а наружный - 116 мм. Вне этой зоны располагается так называемая зона ввода и вывода , содержащая информацию, которая позволяет автоматизировать процесс проигрывания. Общее число витков спирали на одной стороне компакт-диска составляет 20 ООО при длине дорожки записи, примерно равной 5 км. Благодаря этому и получена возможность проигрывания одной стороны оптического диска более одного часа. Традиционная технология изготовления аудио компакт-дисков предусматривает длительность проигрывания максимум 74 мин при потоке данных около 1,2 Мбит/с.

Компакт-диск вращается против часовой стрелки, если смотреть на него со стороны расположения оптической системы, т.е. со стороны прозрачного слоя. Кроме того, начало дорожки записи у аудио компакт-диска располагается около центрального отверстия.

На диск со стороны пит нанесена тонкая металлическая пленка из алюминия, которая затем покрывается непрозрачной защитной пленкой. Защитная пленка используется, кроме того, в качестве этикетки. Таким образом, дорожка записи располагается между твердой защитной пленкой и пластмассовым диском.

Цифровой сигнал воспроизводится со стороны прозрачного пластмассового диска лазерным лучом. Луч фокусируется на дорожке записи и отражается металлической пленкой на светочувствительный элемент. При этом долговечность цифрового диска практически бесконечна без ухудшения характеристики воспроизводимых сигналов в процессе эксплуатации. Царапины, появляющиеся на защитной пленке, совершенно не опасны, так как луч отражается металлической пленкой и не доходит до защитной пленки, царапины или пылинки на нижней поверхности пластмассового диска, конечно, попадают в область прохождения луча лазера, однако на нижней поверхности луч не сфокусирован и имеет диаметр около 1 мм, т.е. намного превышает ширину царапины. Таким образом, практически не создается препятствий для прохождения лазерного излучения и не возникают помехи воспроизведению.

Согласно законам волновой оптики лазерный луч посредством преломления с помощью линзы можно сфокусировать только до ог-

раниченного диаметра светового пятна, определяемого дифракционным пределом. Диаметр центральной части светового пятна D , в которой сосредоточено 84 % всей энергии, определяется выражением

D =\22WNA),

(10.2)

где X - длина световой волны; NA - числовая апертура фокусирующего объектива. Для определенного диаметра оправы объектива и его фокусного расстояния f числовая апертура определяется как NA = DIf, Л А < 1. Из соотношения (10.2) следует что для получения при фокусировке светового пятна с наименьшим диаметром необходимо иметь малую длину волны и большее значение NA.

В настоящее время в массовом производстве находится полупроводниковый лазер на основе сплава галлия, алюминия и мышьяка (GaAIAs), поэтому приходится ограничиваться свойственной ему длиной волны 0,78 мкм.

При выборе числовой апертуры NA требуется учитывать не только диаметр светового пятна, но и следующие важные факторы; глубину резкости, определяемую выражением XJiNAY, допустимый предел наклонов оптического диска, определяемый отношением X/iNA) , допустимый предел в изменениях толщины оптического диска, определяемый отношением x/iNA)\ Следует иметь в виду, что достаточная глубина резкости объектива необходима для обеспечения стабильной и надежной работы системы автофокусировки в условиях массового производства воспроизводящей аппаратуры и оптических дисков и эксплуатации их при различных условиях. Изгибы и искривления цифрового оптического диска нарушают перпендикулярность оси светового луча к плоскости дорожки записи, что приводит к ухудшению условий отражения света. Таким образом, оптическая система устройства воспроизведения будет работать тем стабильнее и надежнее, чем меньше значение NA. Исследования частотных характеристик оптической системы показали, что на практике следует стремиться к использованию фокусирующего объектива с NA = 0,45. Если уменьшить длину волны X, то стабильность оптической системы по-вьюится, так как появляется возможность использовать линзы с наименьшим значением Л/А.

Луч лазера, сфокусированный до дифракционного предела, при падении на участок дорожки записи, где нет пит, почти полностью отражается обратно. Если луч попадает на участок, где расположен пит, то он рассеивается. Таким образом, обнаружение (детектирование) записанного сигнала осуществляется посредством модуляции питами количества отраженного света.

Выбор метода модуляции лазерного луча за счет вариаций отражения, а не пропускания обусловлен несколькими причинами. Во-

первых, оптическая система для отражающего диска полностью сосредоточена с одной стороны, что упрощает конструкцию проигрывателя компакт-диска (ПКД). Во-вторых, защитная пленка должна находиться только на одной стороне информационного слоя, в то время как при использовании эффекта пропускания требуется двусторонняя защита. Наконец, способ фокусировки лазерного луча при его отражении от диска более простой, чем при пропускании.

Основные принципы работы проигрывателя компакт-дисков. Для оптического считывания записи с компакт-диска предназначены ПКД, обеспечивающие выполнение следующих функций;

- фокусировку лазерного излучения в световое пятно заданного размера на поверхности компакт-диска;

- разделение отраженного и падающего лучей лазера;

- оптическое считывание информации в отраженном излучении;

- регистрацию амплитудно-модулированного отраженного излучения с помощью фотодетекгора;

- измерение радиального смещения сфокусированного лазерного луча относительно дорожки, образованной питами;

- обеспечение перемещения сфокусированного пятна перпендикулярно информационной поверхности и вдоль радиуса диска для удержания его на питовой дорожке;

- преобразование цифровой формы информации в аналоговую для дальнейшего усиления.

Структурная схема лазерного проигрывателя приведена на рис. 10.11 [4]. Основу проигрывателя составляет оптический звукосниматель, преобразующий информацию, заложенную в питы, в электрический сигнал. Луч лазера 1 мощностью 2...3 мВт через поляризационный расщепитель 2, четвертьволновую пластину 3 и объектив 4 попадает на оптический диск 5, отражаясь от которого, вторично проходит через объектив и четвертьволновую пластину. Расщепитель отражает луч на фотодиод 6 и препятствует его попаданию на лазер.

Схема разделения лучей, изображенная на рис. 10.11, работает следующим образом. Кварцевая четвертьволновая пластина преобразует линейно поляризованное излучение в излучение с круговой поляризацией. Расщепитель представляет собой куб, состоящий из двух прямоугольных призм, соприкасающихся между собой наклонными плоскостями, на одной из которых формируется многослойная пленка. Расщепитель обладает свойством пропускать без затухания составляющую поляризованного излучения, параллельную плоскосхи падения (/= - составляющая, у которой вектор электрического поля Е лежит в плоскости падения), и отражать наклонными плоскостями призм составляющую, перпендикулярную плоскости падения (S - составляющая, у которой вектор электрического поля Е ортогонален плоскости падения). Многослойная пленка усиливает эффект расще-