Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Научные журналы / Наука и жизнь
Начало сайта / Научные журналы / Наука и жизнь

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Биологически активные

Загадки простой воды

Культура. Техника. Образование

Популярная библиотека химических элементов

Луи де Бройль. Революция в физике

Яды – вчера и сегодня

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Магнитофон осваивает «цифру»

Р. Сворень
специальный корреспондент журнала «Наука и жизнь»

Прогресс радиоэлектроники, о котором мы сегодня слышим на каждом шагу, массовый потребитель часто оценивает не по газетным заметкам или журнальным статьям, а по конкретным новшествам в так называемой бытовой аппаратуре. Не всегда легко, а бывает, просто не хочется разбираться в технических подробностях даже в популярном изложении, другое дело – конечный результат, то, что можно «пощупать» самому: четкость телевизионной картинки, сочность красок, размер экрана, естественность звучания приемника, проигрывателя, магнитофона. И все же, получив в пользование очередной электронный шедевр, иногда полезно поинтересоваться, какой же ценой он был создан, чем заплатили инженеры за улучшение тех или иных потребительских параметров. А плата эта, нужно сказать, бывает очень высокой, и один из примеров – цифровая звукозапись.

Качество звучания оценивают целым рядом точных количественных характеристик, три из них, наиболее, пожалуй, важные, сейчас будут названы с предельно краткими и упрощенными пояснениями.

Полоса воспроизводимых частот. Человек слышит звуки в диапазоне, или, как часто говорят специалисты, в полосе часто, примерно от 20 Гц (герц) до 20 000 Гц (20 кГц). И если мы хотим услышать из громкоговорителя звук во всем его частотном богатстве, услышать естественное звучание оркестра или лесных голосов, то нужно провести этот звук (точнее, его электрическую копию) от микрофона до громкоговорителя без каких-либо частотных искажений. То есть на огромном пути, пролегающем, например, через усилители, грампластинку, устройства звукозаписи и считывания, нужно сохранить изначальное соотношение между всеми частотными компонентами сложнейшего звукового аккорда, между составляющими звука во всей полосе от 20 Гц до 20 кГц. Задача непростая, если решать ее в полном объеме, аппаратура получится сложной, дорогой. Поэтому в аппаратах средней и невысокой стоимости воспроизводят более узкую полосу частот, скажем, 20 Гц – 12 кГц или 200 Гц – 6 кГц, и мирятся с тем, что звучание получается не отличным, а хорошим или даже всего лишь удовлетворительным.

Коэффициент нелинейных искажений. Первопричина искажений – нелинейные процессы, некоторое нарушение прямой, линейной зависимости между сигналом на входе и на выходе какого-либо элемента, например, транзистора. В результате на выходе всей системы, то есть в громкоговорителе, появляются компоненты звука, которых не было на входе, слышатся посторонние призвуки, похрипывания. Сам коэффициент нелинейных искажений показывает, какой процент их мощность составляет от мощности полезного, неискаженного сигнала. Считается, что нелинейные искажения в 2...3 процента незаметны на слух, но все же в высококлассной аппаратуре стараются, и не без оснований, сделать их менее одного процента.

Уровень собственных шумов. Игла звукоснимателя начинает двигаться по пластинке, делает первый оборот, мелодия еще не началась, а пластинка уже звучит, точнее, шипит – это игла слегка подрагивает на мельчайших неровностях стенок звуковой канавки. Аналогичный шум слышен и в магнитофоне, в частности, из-за неоднородностей магнитного слоя на ленте. Шумят ламповые и транзисторные усилители из-за ничтожных флюктуации тока, неравномерности движения зарядов. По той же причине в какой-то мере шумят все элементы электронных схем, даже обычные проводники.

Шумы – вещь неприятная, и не только потому, что слышны в паузах. Шумы забивают слабый сигнал, приходится искусственно поднимать его уровень и при этом жертвовать реальным динамическим диапазоном – соотношением самого громкого «форте» и самого тихого «пиано». По сути дела, шумы – это частный вид нелинейных искажений, но для их оценки есть отдельная характеристика, она показывает, во сколько раз мощность шумов меньше, чем мощность среднего чистого сигнала. Правда, вместо «во сколько раз» принято указывать «на сколько децибелов», в хорошей аппаратуре уровень собственных шумов обычно – 60 дБ (шумы по мощности меньше сигнала в 1 000 000 раз), в средней аппаратуре – 40 дБ (в 10 000 раз).

Звук есть не что иное, как меняющееся во времени давление, электрическая копия звука – точно так же меняющийся во времени ток. Это «точно так же», эта похожесть, аналогичность дали имя электрическому сигналу, повторяющему, копирующему своего предшественника, в данном случае звук, – его называют аналоговым сигналом. Можно представить оба процесса – звук и его аналог ток – в виде сложных кривых на графике и отметить: все виды искажений приводят к изменению самого аналогового сигнала, к изменению формы кривой.

Искажения при аналоговом способе записи звука

Много томов понадобилось бы, чтобы рассказать о том, как искали и находили способы борьбы с искажениями сигнала. В этой борьбе было одержано много побед – на заре радиотехники слушатель радовался, если в хрипах и шумах удавалось разобрать слова, произнесенные диктором, а сегодня громкоговоритель с высокой верностью воспроизводит тембровое богатство певческих голосов и многоголосье большого оркестра. И все же инженеры решились па еще одно трудное сражение и одержали еще одну победу – создали цифровые системы передачи, записи и высококачественного воспроизведения звука. Сначала появилась цифровая грампластинка, затем начались разработки цифровых систем радиовещания, а сейчас японские фирмы уже предлагают потребителю цифровые магнитофоны, пытаясь взять реванш за цифровую грамзапись, где бесспорно европейское лидерство.

Преобразование звукового сигнала аналог-цифра-аналог

Сама идея и принципы всех цифровых систем звуковоспроизведения примерно одинаковы – в самом начале пути аналоговый сигнал превращают с «цифру», в цифровой сигнал, в серии импульсов-пауз. Именно они и проходят весь дальнейший путь, почти до самого финиша – «цифру» записывают на пластинку, на магнитную ленту, ее передают по радио, считывают, принимают из эфира, а в заключение вновь превращают в аналоговый сигнал, который и направляют в громкоговоритель. Начальную и конечную операции выполняют уже ставшие классикой электронные схемы – аналогово-цифровой преобразователь АЦП и цифро-аналоговый преобразователь ЦАП (см. «Наука и жизнь» №10, 1986 г.). Первый из них, АЦП, через очень короткие интервалы времени – обычно 30...50 тысяч раз в секунду – измеряет уровень аналогового сигнала и каждое его значение шифрует, кодирует определенным двоичным числом, отображая единицу импульсом, а ноль паузой. Так, например, если аналоговый сигнал имел значения в вольтах 0,1 – 0,2 – 0,3 – 0,4 – 0,2.., то возможно такое его превращение в «цифру» – 0001 – 0010 – 0011 – 0100 – 0010. Здесь для цифрового кодирования выбраны четырехразрядные двоичные числа, всего их может быть 24 = 16, то есть аналоговый сигнал такими четырехзначными числами можно отображать, выделяя в нем 16 уровней, 16 ступенек. Это, конечно, грубое отображение сложного сигнала, и в реальных цифровых системах для кодирования пользуются значительно большими, например, двадцатиразрядными двоичными числами. Они позволяют зашифровать 220 = 1 048 576, то есть больше миллиона разных уровней аналогового сигнала, и таким образом описать его очень точно, мельчайшими ступеньками.

Искажения при цифровом способе записи звука

Теперь два слова о том, зачем все это нужно. Цифровой сигнал, так же как и аналоговый, подвержен искажениям – и частотным, и нелинейным, и шумовым наслоениям. Но для цифрового сигнала они не страшны, исказить цифровой сигнал – это значит совсем убрать какой-нибудь импульс или ввести импульс там, где была пауза. Такие катастрофические искажения можно предотвратить, а более мелкие, меняющие форму импульса или нарушающие чистоту паузы, нетрудно устранить. Для этого есть тоже уже классический электронный блок – регенератор цифрового сигнала. Из него выходят неискаженные, такие же, как были в самом начале, «новенькие» последовательности импульсов-пауз, из них после ЦАП получается практически неискаженный аналоговый сиг-пал, а значит, в итоге и неискаженный звук. Достаточно сказать, что в системах цифровой грамзаписи уровень шумов составляет – 80 дБ, то есть они по мощности в 100 миллионов раз слабее основного сигнала и реально вообще не слышны. Слушатели иногда даже жалуются на неестественную, мертвую тишину, в которой звучит музыка с цифровой грампластинки.

Цифровая система грамзаписи была предложена специалистами голландской фирмы «Филипс» в 1978 году, ее основа – пластинка диаметром 12 см, как ее называют, компакт-диск, цифровой код записан на нем микроскопическими (ширина 0,6 микрона) отражающими поверхностями, расположенными, как и обычная звуковая канавка, но спирали («Наука и жизнь» №10, 1986 г.). Считывание кода производится лазерным лучом, сфокусированным до микронного пятнышка. Цифровой лазерный проигрыватель – машина сложная, в ней, в частности, много вспомогательных электронных схем, совершенная автоматика, прецизионная электромеханика и оптика. Реальностью такая машина могла стать только в эпоху микроэлектроники – в ламповые или даже в транзисторные времена это наверняка был бы аппарат размером с большой холодильник и со стоимостью автомобиля. Нужно отдать должное динамизму европейской промышленности: лазерные проигрыватели вышли на рынок в 1982 году, через год их было выпущено уже 350 тысяч, еще через два года – 4 миллиона, а сейчас их парк далеко ушел за 10 миллионов. Пластинок, то есть самих компакт-дисков, ежегодно продается 50...60 миллионов. Это при том, что цена на проигрыватель, хотя и снижается, продолжает оставаться немалой – около 600 долларов, это примерно цепа среднего видеомагнитофона, и в несколько раз дороже рядового аналогового электропроигрывателя.

Несмотря на это, спрос на цифровую грамзапись достаточно высок и, как отмечает французский журнал «Сьянс э ви» («Наука и жизнь»), заводы, пользуясь моментом, работают по 24 часа в сутки и по 7 дней в неделю, чтобы насытить рынок компакт-дисками и лазерными проигрывателями. Им действительно нужно спешить – японские фирмы, такие, как «Айва», «Сони», «Шарп», «Технике», «Хитати», а также западногерманский «Грундиг», уже бросили вызов компакт-диску, начав производство и продажу цифровых кассетных магнитофонов, именуемых системами DAT, от «Digital Audio Таре» – «цифровая звуковая лента».

Два года назад 84 фирмы, проявляющие интерес к DAT, приняли единый стандарт па эти системы, однако вскоре отдельные фирмы, вырвавшиеся вперед, начали нарушать принятое соглашение. Главным образом, видимо, из соображений технической и коммерческой политики, в частности экспортной.

О масштабах событий и «цене игры» в этой сфере говорят, например, такие цифры: в начале 1987 года по сравнению с тем же периодом предыдущего экспорт японских телевизоров снизился па 30 процентов, видеомагнитофонов – на 22, и в значительной мере потому, что поднялись новые мощные производители видеоаппаратуры. Фирмы, вырвавшиеся вперед в создании цифровых магнитофонов, делают все, чтобы как можно дольше сохранять лидерство в массовом производстве, нередко подчиняют этому выбор технических решений.

Всплывают и старые проблемы, в частности бесконтрольное копирование записей, как для личных нужд, так и для широкой продажи. Против этого направлены законы, ограничивающие копирование или даже запрещающие его в коммерческих целях, в магнитофоны встраиваются блоки «антикопирования», исключающие этот процесс, некоторые страны готовы запретить ввоз магнитофонов без таких блоков. Кстати, один из параметров уже выпускаемых систем DAT исключает прямую, так сказать, поимпульсную перезапись с компакт-диска – в лазерных проигрывателях аналоговый сигнал измеряется и превращается в пакеты импульсов-пауз 44 100 раз в секунду (частота 44,1 кГц), в выпускаемых цифровых магнитофонах это делается несколько чаще 48 100 раз в секунду, то есть с частотой 48,1 кГц. Предусмотрена, правда, еще одна частота этих превращений – 32 кГц, она соответствует одному из стандартов звукового сопровождения в телевизионных спутниковых системах и позволяет прямо в цифровом виде записывать на магнитную ленту высококачественный «звук из космоса».

В самом лагере разработчиков систем DAT тоже нет единства, существуют два совершенно разных, никак не стыкуемых типа цифровых магнитофонов R-DAT и S-DAT. В их основе два разных технических решения важнейшей для DAT задачи – быстрого перемещения ленты относительно магнитной головки. Дело в том, что на лепту нужно записать весьма высокую частоту – пакеты импульсов-пауз, как только что говорилось, создаются 48 100 раз в секунду, в каждом пакете может быть 20 импульсов, то есть частота их следования достигает примерно 1000 кГц (точнее, 48,1×20 = 962). Чтобы записать столь высокую частоту, нужно протягивать пленку со скоростью 4...5 метров в секунду, на обычном магнитофоне 30-минутная кассета (одна сторона 60-минутной) при такой скорости проскочит за 20 секунд, а для 30-минутной записи потребуется 8 километров пленки, кассета размером с окно.

Чтобы в цифровых магнитофонах не выйти за пределы стандартной компакт-кассеты (в действительности размеры кассет отличаются, но очень незначительно), в системах R-DAT (R – от «Rotary Head» – «вращающаяся головка») воспользовались принципом, уже давно принятым в видеомагнитофонах, – пленка движется сравнительно медленно, а вращающаяся магнитная головка быстро проходит по ней, осуществляя запись на наклонных дорожках или считывание с них.

Принцип цифровой записи в системах R-DAT и S-DAT

В системах S-DAT (S – от «Stationary Head» – «неподвижная головка») используется принцип, применяемый в магнитных накопителях информации для ЭВМ, – запись сразу ведется на 20 параллельных дорожках, на каждой записывают один разряд двадцатиразрядного двоичного числа, которым кодируются уровни аналогового сигнала. Иными словами, одновременно, параллельно записывается или считывается весь аккорд из 20 импульсов-пауз. Точнее, на пленке 22 дорожки, в их числе 2 вспомогательные, для систем управления и автоматики магнитофона.

Как видите, обе системы R-DAT и S-DAT – достаточно сложны. В первой появляется такой прецизионный узел, как блок вращающихся головок со своей автоматикой и отдельным приводом. В другой системе нужен единый блок из расположенных одна над другой 22 тончайших (около 60 микрон каждая) отдельных магнитных головок. Их может быть и 44 в системах, где запись сделана отдельно на верхней и нижней половине ленты, например, для создания стереоканалов. Ко всему сказанному необходимо добавить, что в кассетах цифрового магнитофона используется такая же узкая лента, что и в обычных компакт-кассетах, – ее ширина всего 3,81 мм.

Здесь уместно напомнить, что нередко лишь революционные открытия в технике и технологии, такие, скажем, как микропроцессор, полупроводниковый лазер или интегральная микросхема, позволяют какой-либо новинке продвинуться, как говорили древние римляне, «от возможного к реальному» – «a pose at esse». Когда-то, в эпоху ламповой электроники, какой-либо аппарат оценивали по числу «баллонов» – количеству электронных ламп. Так и говорили «прекрасный десятиламповый приемник», или «простенький трехламповый», или «предельно упрощенный телевизор, в нем всего 14 ламп». В те времена человека просто сочли бы ненормальным, если бы он предложил систему звукозаписи, в которой проигрыватель должен иметь несколько тысяч «баллонов» – именно таков ламповый эквивалент микросхем, применяемых в лазерном проигрывателе. Никто всерьез не стал бы обсуждать и бытовой магнитофон, имеющий два, а то и четыре десятка головок. Но вот проходит два-три десятилетия, и безумные электронные проекты, сложнейшие аппараты, всего лишь в принципе возможные, становятся реальностью настолько, что попадают в разряд массовой и даже дешевой бытовой аппаратуры; небольшой лазерный проигрыватель теперь можно увидеть встроенным в переносную радиолу, не за горами, видимо, и переносная магнитола с системой DAT. Первопричину подобных ошеломляющих изменений понимали еще все те же римляне, отметившие: «Mens aditat molem» – «Ум движет массу».

 

Ранее опубликовано:

Наука и жизнь. 1988. №8.

Дата публикации:

2 сентября 2003 года

Электронная версия:

© НиТ. Научные журналы, 2002

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2016
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика