Запись цифровых аудио- и видеосигналов

Москва
Горячая линия - Телеком
2013

УДК 681.84.086 
ББК 32.871 
    Л67 

Р е ц е н з е н т ы :  доктор техн. наук, профессор  Волков А.А.;  доктор техн. 
наук профессор  В. Н. Безруков  

Лишин Л. Г., Попов О. Б. 

Л67    Запись цифровых аудио- и видеосигналов. Учебное пособие. – 
М.: Горячая линия – Телеком, 2013. – 178 с.: ил. 

ISBN 978-5-9912-0330-2

Систематизирована обширная информация в области современных способов записи аудио- и видеоинформации, ее накопления, хранения и преобразования в различных форматах. 
Представлены сведения по истории развития, принципам работы, параметрам и характеристикам различных систем записи и 
архивирования информации. Приведены примеры практической реализации систем записи и хранения аудио- и видеосигналов.  
Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» квалификации (степени) «бакалавр» и квалификации (степени) «магистр», может быть полезно для студентов 
вузов и колледжей, обучающихся по специальностям связи и 
информатики, а также для специалистов эксплуатационных 
служб радиосвязи, радиовещания и телевидения. 
 
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

Учебное издание 

Лишин Лаврентий Георгиевич, Попов Олег Борисович  

Запись цифровых аудио- и видеосигналов 

Учебное пособие. 

Редактор  Ю. Н. Чернышов 
Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышова 
Обложка художника  О. Г. Карповой 

Подписано в печать 17.11.2012. Формат 60×88/16. Уч. изд. л.11,25. Тираж 500 экз.  
(1 завод 100 экз) 

ISBN 978-5-9912-0330-2                                 © Л. Г. Лишин, О. Б. Попов, 2013  
                                             © Издательство «Горячая линия–Телеком», 2013 

Введение

Одно из важных явлений, произошедших в стране в последние
годы, — широкое развитие информационных технологий, которые
охватывают буквально все стороны жизни человека.
Дома, в дороге, на рабочих местах, буквально повсюду вас сопровождает информация. Она передаётся по радио, телевидению, по мобильным
телефонам. Чтобы обеспечить передачу огромного потока информации, человечество переходит на новейшие способы её накопления и
распространения. Сейчас трудно себе представить, что всего 50 лет
назад единственным носителем звуковой информации были грампластинки, а о записи изображения можно было только мечтать.
Вспомним, что русский историк Н.М. Карамзин так оценивал роль
книгопечатания в прошлом: «История ума представляет две главные эпохи: изобретение букв и типографии, всё другое было следствием». Прошло не так много времени, и новые информационные
технологии сметают с полок и книги, и буквы, рождая новое поколение человечества. Оно мало читает, но хорошо знает назначение
клавиш на мобильных телефонах и компьютерах и уже предпочитает объёмные изображения. Эта книга посвящена способам цифровой
записи звуковой информации и видеоинформации, их накопления,
хранения и попыткам преобразования в какой-то новый вид, более
приспособленный к требованиям современности.

Способы записи аудиои видеосигналов

1.1. Основы механической звукозаписи

В 1887 году американский изобретатель Эдисон изобрёл фонограф, и этот год считается началом звукозаписи, хотя, как ни странно, более сложный видеосигнал был записан братьями Люмьер раньше, с использованием фотозаписи.
Механическая звукозапись основана на вырезании (выдавливании или литье) в материале носителя записи канавки с помощью
записывающего устройства — рекордера. При воспроизведении по
канавке движется игла воспроизводящего устройства — звукоснимателя [1–4].
В процессе развития механической записи были предложены

Рис. 1.1. Вид модулированной канавки при поперечной (а) и глубинной (б) записи. Вверху — разрез по
оси канавки, внизу — вид сверху

два основных способа модуляции
канавки: поперечный, при котором
резец колеблется влево-вправо от
нейтрального положения и канавка постоянной ширины приобретает извивы (рис. 1.1,а), и глубинный, при котором резец смещается
вверх-вниз от нейтрального положения, вырезая канавку переменной глубины и ширины (рис. 1.1,б).
Все предварительные операции по записи и монтажу фонограммы ведут с помощью магнитной записи.
Окончательно смонтированную магнитную фонограмму переводят в механическую на
станке механической записи (рис. 1.2). Он имеет массивный диск
(планшайбу) 1, вращаемый двигателем 2. Рекордер 4 с помощью
механизма 3 перемещается в радиальном направлении.
Носитель
записи 5 (медный или лаковый диск) прочно закрепляется на планшайбе. Алмазный резец рекордера постепенно перемещается в радиальном направлении от края диска к центру. В отсутствие сигнала
получается канавка без извилин, немодулированная.

Способы записи аудио- и видеосигналов
5

Рис. 1.2. Схема станка механической
записи

При подаче на рекордер сигнала с выхода усилителя 6 резец начинает колебаться и вырезать канавку сложной формы.
Такую канавку называют модулированной.
После окончания
записи на поверхность лакового диска наносят слой серебра,
служащий далее токопроводом при электрохимическом процессе нанесения слоя никеля.
Слой никеля достигает 0,3...0,4 мм.
Полученную копию (первый оригинал) осторожно отделяют от лакового
диска. С первого оригинала снова электрохимическим (гальваническим) способом изготовляют несколько (до десяти) новых копий
(вторых оригиналов). После отделения второго оригинала его прослушивают как обычную грампластинку.
Обнаруженные дефекты
устраняют гравировкой, контролируя эту работу под микроскопом.
Со вторых оригиналов снимают третьи оригиналы толщиной примерно 0,25 мм, для уменьшения износа матрицы покрывают слоем
хрома (правда, качество фонограммы при этом ухудшается) и используют в качестве оригинала при прессовании пластинок.
Одной матрицей без существенного ухудшения качества прессуют до
тысячи пластинок. Материалом пластинок служит винилит — сополимер винилхлорида с 15 % винилацетата с небольшой добавкой
размягчающих и окрашивающих веществ.

1.2. Особенности механической записи
стереосигналов

Как уже упоминалось выше, в процессе развития механической звукозаписи были предложены два способа модуляции канавки: поперечный и глубинный (см. рис. 1.1). Комбинацию этих двух
способов используют для двухканальной стереофонической записи.
Однако управлять движением резца в горизонтальном и вертикальном направлениях непосредственно сигналами левого и правого
каналов нецелесообразно ввиду некоторого различия свойств записываемых фонограмм и трудности разделения сигналов в звукоснимателе.
Поэтому оба направления смещения резца поворачивают
на 45◦ и сигналы каждого канала записывают одновременным перемещением резца в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Тогда движение иглы, воспроизводящей сигнал одного канала, происходит по направлению слева сверху — вправо вниз (и в обратном
направлении), другого канала — справа сверху — влево вниз (и в

Г л а в а 1

Рис. 1.3. Образование канавки
стереофонической фонограммы

обратном направлении).
Итак,
чтобы получить двухканальную
стереофоническую фонограмму,
резцу сообщают перемещения в
двух
взаимно
перпендикулярных направлениях, причем оба
они находятся под углом 45◦ к
поверхности носителя, как показано на рис. 1.3. Поскольку угол
раскрытия стенок канавки равен 90◦, на каждой стенке канавки записывают один сигнал: на внешней (ближе к краю пластинки) сигнал правого канала, на внутренней (обращенной к центру пластинки) сигнал левого канала [1–4].
Стандартизована и фазировка сигналов в каналах. Выходные
напряжения звукоснимателя находятся в фазе, если игла подается
вверх для левого канала и вниз для правого (или наоборот). Этот
порядок принят по следующим соображениям. При вращении диска
возникают вертикальные перемещения иглы, обусловленные короблением пластинки и биениями диска из-за неточной насадки на ось
(плоскость диска не перпендикулярна оси). Если бы сигнал одного
канала был записан способом поперечной записи, а другого — способом глубинной записи, то помеха, обусловленная вертикальными
перемещениями иглы, воспроизводилась бы только в одном канале.
Смещением направлений записи на 45◦ достигается противофазное и
примерно одинаковое по амплитуде распределение напряжения этих
помех по обоим каналам. В результате звучание помехи не локализуется, что уменьшает ее заметность.
При синфазных сигналах равной амплитуды (монофоническая
запись) игла перемещается только в горизонтальной плоскости. Поэтому при объединении сигналов обоих каналов с целью монофонической записи слуховое восприятие помех еще более ослабляется.
При квадрофонической записи на каждой стенке канавки записывается спектром звуковых частот сигнал переднего канала, а на поднесущей частоте спектр сигнала заднего канала.
Полный спектр
записи при этом простирается до 40...45 кГц.

1.3. Основы фотографической звукозаписи

Фотографическая запись основана на воздействии светового потока на светочувствительный слой носителя записи — киноленты
(рис. 1.4,а). Электрический сигнал от микрофона М через усилитель записи УЗ поступает на модулятор света МС. Промодулиро

Способы записи аудио- и видеосигналов
7

Рис. 1.4. Схема фотографической записи звука (а) и получаемые оптические
фонограммы переменной ширины (б) и переменной плотности (в)

ванный световой поток образует на светочувствительном слое негативной ленты НЛ узкий пишущий штрих переменной ширины или
переменной интенсивности. После фотохимической обработки и копирования образуется позитивная фонограмма ПФ. При воспроизведении источник света — читающая лампа ЧЛ — с помощью оптической системы О создает в плоскости позитивной фонограммы
узкий читающий штрих. Промодулированный фонограммой световой поток попадает на фотоэлемент ФЭ [1–4].
Различают фонограмму переменной ширины (рис. 1.4,б) и переменной плотности (рис. 1.4,в). В первом случае ширина фонограммы меняется, а прозрачность остается постоянной, во втором — при
неизменной ширине фонограммы меняется ее прозрачность. Преимущество способа переменной плотности — более широкая полоса
частот, так как он менее критичен к точности установки пишущего
штриха.
Но при записи способом переменной плотности требуется тщательный подбор режима проявления, при отступлении от него увеличиваются нелинейные искажения. Кроме того, отдача фонограммы
переменной плотности меньше отдачи фонограммы переменной ширины. По указанным причинам в подавляющем большинстве случаев используют фонограмму переменной ширины. В зависимости от
конструкции модулятора света фонограмма получается односторонней (рис. 1.4,б), двусторонней (симметричной) и даже с несколькими
одинаковыми дорожками.
Ширину пишущего штриха выбирают равной примерно 5 мкм,
что позволяет уменьшить нелинейные искажения записи и получить
освещенность пишущего штриха порядка 106 лк. Это облегчает процесс записи. Ширину читающего штриха берут больше, примерно
20 мкм, чтобы увеличить световой поток, падающий на фонограмму,
и соответственно увеличить фототок. В качестве модулятора света
используют преобразователи электромеханического типа, электроскопического типа и электронно-лучевого типа.

Г л а в а 1

1.4. Основы магнитной аналоговой записи

Магнитная звукозапись основана на свойстве ферромагнитных
материалов намагничиваться под воздействием магнитного поля и
сохранять остаточное намагничивание по выходе из этого поля. По
мере надобности полученную фонограмму можно стереть переменным магнитным полем [1–4].
Поле магнитной головки намагничивает ленту и преобразует
временные изменения сигнала в пространственные изменения остаточной намагниченности ленты. Полученная таким образом невидимая запись представляет собой совокупность большого числа магнитиков, имеющих различную длину и напряженность поля. Лента
имеет тонкую гибкую основу из лавсана, полиэфирных смол, поливинилхлорида или из других полимерных материалов; наиболее
широко используется основа из полиэфирной смолы; толщина стандартных лент составляет около 50 мкм. Основа ленты покрывается
порошком из магнитного окисла, состоящим из мельчайших частичек игольчатой формы.
В настоящее время, в основном, используются ленты с рабочим
слоем на основе окисла железа (Fe2O3), двуокиси хрома (CrO2) и
металлизированные (Me). Рабочий слой должен наноситься на материал основы при определенных условиях, позволяющих получить
его однородность при толщине от 1 (Ме) до 25 мкм.
Как на ленте фиксируется сигнал и почему он не исчезает?
Магнитный слой, как уже упоминалось, изготавливается из магнитотвердого ферромагнитного материала. В любом ферромагнетике содержатся элементарные «магнитики» — домены. Даже атом с
одним электроном, вращающимся с некоторой скоростью вокруг ядра, является элементарным магнитом, так как движущийся заряд
электрона создает кольцевой ток, имеющий свое собственное магнитное поле. Отдельно взятые магнитные поля атомов очень слабы,
но в домене все элементарные магнитные поля атомов складываются
и образуют магнитное поле домена. Если ферромагнетик не намагничен, то магнитные поля отдельных доменов ориентированы хаотично по отношению друг к другу и результирующее магнитное поле равно нулю. Если же этот ферромагнетик поместить во внешнее
магнитное поле, например в виде сердечника в катушку индуктив
Рис. 1.5. Магнитная лента в намагниченном состоянии

ности, то под воздействием этого поля магнитные поля доменов сориентируются в одном направлении (рис. 1.5). При этом
к внешнему полю добавляются

Способы записи аудио- и видеосигналов
9

собственные поля доменов, и общее поле резко возрастает.
Ферромагнетики характеризуются коэффициентом относительной магнитной проницаемости, показывающим, во сколько раз возрастает
магнитная индукция в веществе по сравнению с внешним пространством.
Относительная магнитная проницаемость может доходить
у ферромагнетиков до нескольких десятков тысяч. Во столько же
раз возрастает и магнитное поле в сердечнике. Для изготовления
сердечников магнитной головки используются магнитомягкие ферромагнетики.
При снятии внешнего магнитного поля у таких материалов индукция исчезает. Магнитотвердые же ферромагнетики сохраняют
некоторую намагниченность и после полного снятия внешнего магнитного поля. Рассмотрим, как происходит процесс намагничивания магнитотвердых материалов.

Рис. 1.6. Петля гистерезиса

На рис. 1.6 по горизонтали отложена напряженность внешнего магнитного поля H, она пропорциональна, например, силе тока в обмотке записывающей головки. По вертикали отложена магнитная индукция в магнитном материале.
Начнем увеличивать ток в обмотке головки.
На начальном участке кривой магнитная индукция в материале нарастает медленно, затем появляется участок быстрого роста индукции и, наконец, участок насыщения, когда при дальнейшем росте внешнего поля индукция не
увеличивается.
Предельная величина индукции магнитного слоя
называется индукцией насыщения Bнас.
Кривая называется основной кривой намагниченности. Теперь
начнем уменьшать ток в обмотке головки. Домены в магнитном слое
продолжают сохранять ориентацию, и магнитная индукция материала не уменьшается до нуля при обращении напряженности внешнего магнитного поля в нуль. Величина магнитной индукции при
нулевом внешнем поле называется остаточной магнитной индукцией. Чем она больше, тем сильнее будет притягивать металлические
предметы магнит, сделанный из этого материала, тем большим может быть уровень записи на магнитной ленте из этого же материала. Чтобы размагнитить материал слоя, надо подать в обмотку ток
противоположного направления. Напряженность поля, при которой
индукция B обратится в нуль, называется коэрцитивной силой.

Г л а в а 1

Рис. 1.7. Процесс магнитной записи: запись без подмагничивания на
предварительно размагниченный носитель (а); запись с высококачественным
подмагничиванием (б)

Чем больше коэрцитивная сила, тем труднее размагнитить материал, тем меньше по размеру соседние домены с противоположной
намагниченностью сохраняют ее. Увеличив затем ток в обмотке (в
обратном направлении), намагнитим материал в обратном направлении. Периодически перемагничивая материал, получаем некоторую замкнутую кривую, называемую петлей гистерезиса. Чем больше площадь петли, тем большую работу на перемагничивание надо
затратить. Как производится запись сигналов? Непосредственно записать сигнал звуковых частот, подав его на выводы обмотки головки, конечно можно, но при этом качество записи будет совершенно
неудовлетворительным.
Для объяснения этого обратимся к основной кривой намагниченности (рис. 1.7).
Она показана для намагничивания в обоих
направлениях. Поскольку начальный участок кривой пологий, то
намагничивание ленты при слабых сигналах происходит плохо. Искажения сигнала при этом будут недопустимо велики. Современный
метод записи, применяющийся в аналоговых магнитофонах, использует линеаризацию кривой намагниченности с помощью высокочастотного сигнала подмагничивания. При записи в обмотку головки
наряду со звуковым подается высокочастотный сигнал, имеющий
значительно больший уровень, чем звуковой. Высокочастотное магнитное поле, вызываемое этим сигналом, как бы раскачивает магникики внутридоменов, облегчая намагничивание ленты.
Поле подмагничивания обеспечивает запись сигналов с использованием наиболее линейных участков основной кривой намагниченности. Так как поле подмагничивания успевает перемагнитить