【doc】旋转式数字音频磁带R—DAT格式综述

【doc】旋转式数字音频磁带R—DAT格式综述 旋转式数字音频磁带R—DAT格式综述 旋转式数字音频磁带R—DAT格式综述 [摘要]在音袈工业中巳经延续使用了35年的1/4英寸模拟音颠磁带格式,现 在 正经受旋转式数字音频磁带格式的挑战.本文麓磁连尺寸,误码检测与校正,独特 的自 碛循迹信号,通过磁接触甍录的可能性以及盒式磁带尺寸讨论所推荐的格式这种 格式 以模报磁带的价格向终靖用户提供蕺字格式质量磁带. 自从广播和电视业采用114英寸模拟音频 磁带记录以来,至今已35年了.全迹和半迹的 114英寸模拟磁带格式为广播和电视业服务得 很好j几种在音频记录工业中也沿用35年 了. 这些标准现正面临着一种所推荐的新格式 —— 旋转式数字音频磁带格式(R—DAT) 的挑战.R—DAT除了可能改变录音业对1/4 英寸模拟记录格式的态度以外,旋转式数字音 频磁带格式还可能向全美广播者协会(NAB, 已证明了的盒式磁带进行挑战. 本文叙述了R—DAT标准的现状.在l983 年召开的国际数字录音磁带会议上没有具体讨 论专业性的R—DAT标准,这个标准将很可 能紧密地遵循所推荐的消费者的格式. 历史 旋转式数字音频磁带格式要追溯到1983 年,那时索尼公司披露出了新的数字膏频盒式 带的设计思想,这个设计思想以独特的旋转螺 线扫描技术为基础.这种电视业已熟知的记录 方法以前只在录像机中使用其忧点是体积小, 简单,在非常小的盒式磁带上记录时间很长, 生产成本比以前任何固定式磁头的结构估计的 费用都低得多., 索尼公司于l988年4月在美国的全国广播 者协会上,展示出第一台工作样机时,旋转式 数字音频磁带格式才正式推出. 在i987年6月芝加哥的消费电子展示会上, 许多厂家展出了消费者格式的商品化样机.本 文不涉及使用固定式录音磁头的未来的s—DA T的格式 圆1R-DAT磁迹模式(简化图) 格式 R—DAT是一种数字格式.按图l所示的 格式把数字化的音频信号记录在磁带上.标准 磁迹宽l3.59微米.磁迹长23.5毫米最短记 录波长为0.6微米.河视频记录的最小波长d.9 微米相比,可以说是非常小了.R—DAT的记 录密度为l14兆比特/秽/英寸..这些都是以8.1 毫米/秒的线性带速完成的.相比之下,模拟 小型盒式磁带的带速为4z.6毫米/秒. R—DAT格式见1,可以采用栎摧的48 kHz,I6比特取样制式或采用44.1kHz,l6比 特或3:2kHz,12到l6比特取样制式.44.1kHz D点T机器.消费 取样制式只适用于专业性R— 者所用的R—DAT机器只限于48kHz录/放和 44.1kHz重放. 如图2所示,扫描器有两个磁头,录音和 放音磁头5O%的时间与磁带接触,另外5O吨的 时阉不与磁带接触.采用这种不连续的信号有 电声技术1鲫l 袁iR—DAT翻武的基本规格 通道数日(cH)2lzJ242 取样频率(kHz)48l".1132 量化级数(BIT)lel16flei2 带宽(mm)3.81(+0/一0.02) 磁带类塑金属【氧化『金属 磁带厚度(pm)I??1 带速(mm/s)8.15l12.225:8.158.154.07S 磁迹宽(m)l3.59l20.41fl3.50 磁迹角(磁带运行)(DEG)e'2259.5 记录时问(min)12080i12012024O 磁头磁隙方位角(DEG)土20 推荐氆鼓规格3090'包角2000转/分1000转/分 书写速度(m/s)3.133I3.129I3.1333.I331.567 调制方式8,l0 记录密度6l千比特/英寸 误差捡和校正码复剖一编码一里索码{cC,t3322.,2ses7)) 冗余度(和)37.5l42.6I58.337.537.5 传输速率(mBPS)2.461.23 副码(kBPS)273.1136.5 循迹系统ATF 带盘尺寸(ram)73x54×10.5(宽×厚×高) 以下优点:90.的包绕角意昧着在任何时候只 有较短的磁带与磁鼓接触.这就减少了磁带的 磨损.且在磁带与磁鼓接触时可进行高速检 索.专业用R—DAT格式的搜索速度大约是 正常放音速度的300倍.低的磁带张力可以保 证延长磁头的寿命.当用四磁头结构代替两磁 头结构时,磁迹分开90%,重叠1o4,可以同 时放音.扫描器的直径为30毫米,转速为2000 rpm.它具有类似于陀螺仪那样的抗外部干扰 的能力.在这种情况下把录上的2.46兆比特 /秒的信号,这种信号包括音频信号以及许多 其它类型的数据,按3;1压缩并以7.5兆比特/ 电声技术4/1Ogt 秒的速度处理.这就可以不连续地记录信号. 为了克服众所周知的耦合变压器的低频问 题,通道码把8比特的信号转换成了1o1~特的 信号.这个通道码还有一个缩小被记录的波长 范围这个优点.最长的波长是最短波长的4倍. 这也使再录成为可能,并省去了一个单独的抹 音磁头(在短波长信号被抹去时,再录容易实 现). 除两个记录磁头外,这种格式使用无保护 带的?2O方位角的记录系统.为了实现这个 系统,还音磁头比带上磁迹约宽50,(在后 面将解释其原因),这将能实现自动循迹 (ATF). 误码校正 与任何数字记录格式一样,'误码检测和校 正是考虑的重要因素(图3和图4).它必须检 测和校正数字音频数据以及子码,ID码和其 它辅助数据.必须校正的误差类型为瞬发误 码.由于灰尘,划痕和磁头阻塞引起的失落, 相邻磁迹串扰,抹音不良或过记录信号的痕 迹,以及机械不稳定而f起的随机误码. 博矗}蠡l号 圈2扫描器结构 为了对付这些误码,R—DAT格式采用双 重里德一索罗门码(Reed—Sol0m0nCodes), 这种码,对于误码检测,校正和内插是非常有 效的.典型的误码校正码(ECC)的冗余度 (Overhead)在4O嘶范围内.信号作为插入块 重新排列,即使一个磁头被阻塞也可以放音.这 种数据块是跨两个磁迹记录的.误码校正码的 交错长度是一个磁迹长.而音频数据内插长发 是两个磁迹长. R—DAT的误码校正码的格式与乘积码 相同.每个误码校正码(cI/c.)都在伽罗瓦 域上(Ca1oiiField)GF(2.)使用里德一索 罗门码,如图5所示.D=5和D=7的乘椒码 使这种格式对于随机误码具有有效的校正能 力.通过数据的交错,对于瞬发误码也获得了 晟佳的性能.对于瞬发误码,可完全校正的数 据长度是792个符号.掩盖的数据长度为2664 个符号. 为了防止任何还音数据具有喀哒声噪音, 设计了误码控制系统.在极个别情况下,C/c 的解码也可能不够令人满意于是,误码控翩 系统需要一个前馈控制以分析检测数据质量. 56 控制器,解码器及综合作用总括于表2中. 表2R—DAT前馈控制 通道因素问题解码器控制 A误差修正码交织长音频数据如果A和B通道磁 度用1个磁迹音频的交织误迹帧地址不相同, 数据交织长度用2差用误码率较低的磁 个磁迹迹放音 B2个字块并列相接在几十磁禁用C:抹音校正 为C交织长度迹或未抹 音区放音 C当:误码率?10一】在非记录强制噪音抑制(无 时,明显漏控区域放音声) ? 结合误码校正和检测系统,考虑在可变速 放音期间所发生的情况是有意义的.来自左通 道和右通道的数据跨两个磁迹对角式安排(图 6)(对于使用平均值内插可变速度的放音也能 获得高质量的声重放).这种内插格式,即使两 个磁头中一个可以读出数据,好象磁头跳出磁 迹那样也可以产生所需要的数据.在这种情况 下,虽然在音频数据中存在着可以看到插入误 码,但因为有一个磁迹的间隔长度保护,将不 会有误码校正的插入误码发生. 格式的龅姥稗 lD1 102 10.: 搽一 髓嚣骱 图3误码校正能力 诛技芷的,【? 一 谖挂礴曲\一1十号/*-\一一十}串/ \\ . \ \\ 图4误码校正的编码能力 电声技术4/199l *南瞢}窖埭年廿 CJ:GF(2)(32.285)R-s码 c2GF(2)(32.26.7)R-S码 图5误码校正格式 图6R—DAT3Fs内插方案,取样频率 (f.)=444.1,32kHzt6bit '在变速放音时.把来自两个磁头的数据误 差率进行对比,误差率较小的数据用于再现音 频信号.而将其它数据去掉.通过叫做强制的 内插处理,从所选出的数据获得解码器所需要 的失落数据. R—DAT还能进行高速乐曲搜索,速度 可达到正常速度的3O0倍.除了监控磁带的线速 度之外,R—DAT还将磁鼓的转速控制在 l000~3000转/分之间以便在300倍搜索中协 助提供高的声音质量.必须控制磁带与磁头的 相对速度的变化而离带数据必须保持在锁 相环锁定的范围以内.相对速度由下式给出: V=?(VDcose0一?f)+(VDsinO) 式中D是磁鼓速度,0o是稳态角,?f是磁带 速度. 当使用30毫米的扫描器时.扫描速度可望 电声技术4/l09I 在1ooo~3000转/分之间 磁迹格式 音频数据经过8:10通道码转换,双重里 德一索罗门误码校正码的编码和插入以及其它 处理,也具有数据块格式,数据块中每块都由 288比特组成(图7).注意这个宇块格式可看 ,除了同步字节以外,所有插入的字块地址 都可由8×3=24比特检测.这也有助于 准确地识别磁迹的起始点.256比特的数据由 32个符号组成(8比特表示一个符号).一个磁 迹包含R4o96个符号组成的128个数据块.它 们之中,l184个符号(包括CI和C)用于误 码校正,剩下的2912个符号用作数据. 还保留了一个子码区,子码区将在下面解 释.它主要用于记录节目的号码和时间码.子 码设置在磁迹的上边和下边,对失落有一定的 保护.与脉码调制(pcM)区域相连的识别 (ID)码区域.用和CD相同的记录方法来记 录不同的内容.这些内容包括取样频率,通道 『I嚣II拂篙 奇性:P=W10w!c0接z) 古装地址:PCM数据块或iI玛块的方轶地址 _四挑或PcM戢据执曲诅射位 MSB是日 MSB.L5B (自)f??啦) L=!?!生目!I:PcM头伯魄址.7日tT LJU:I鸸块(头,苣址-?B】T】 图7数据块格式 8自动循迹 图9系统方框图 数,量化级数,带速,复制保护以及用加重或 不用加重. 自动循迹 独特的自动循迹信号(ATF)与数字数 据一起记录在磁带上.如图8所示.ATF使用 的是导频信号(F1),同步信号l(Fz),同步信 号2(Fa),和抹音信号(FI).当磁头按箭头 方向行进时,可用Fz或Fs信号检嘲ATF信号 的存在.然后立即与在两边上的相邻的导频信 号F1进行比较.并决定循迹是否正确 F-信号分量在低频范围.不影响方位角 的调节.因此串扰信号可以从两边抬取和检 测.由于ATF信号同串扰比较采用的是一种 模拟方法.所以处理方法与其它区域不一样 ATF区域按磁迹格式明确地分成两个部分. 因此.少量的磁迹弯曲不会引起循迹误差. 与使用宽磁头相结合,已实现了一种系统.在 此系统中易于获得兼容性.用ATF系统不需 要象VTR~g样还需要一个循迹控制磁头. 大趣美?扈电路 现在开发的产品使用正处于发展中的五块 大规模集成电路,设计这些大规模集成电路是 为了实现前节所述的信号处理(表3).这些大 规模集成电路将实现误码校正,内插,调制和 解词,数据控制,伺服电路,自动循迹调频 放大和均衡集成电路的功能.集成电路中的三 分之一是C—MOS电路,剩下的是双极型集成 电路.设计的芯片包括: 1.一个在重放任何数据时,防止喀哒噪 声的误码控制系统. 2.宽范围的信号处理系统,用于补偿机 械失配. 3.多用性,以便使这些集成电路可以用 于高档,低档机器以及除R—DAT以外的数 字音频设备. 4.R—DAT系统功能可扩展性. 图9是R—DAT系统使用这些大规模集成 电路的方框图 裹3R—DAT——索尼集成电路 CXA1045QCXA1046MCXD1008QCXD1009QCXD105~Q 构造积极型双极型C—M0SC—M0SC—M0S 集成块尺寸(加?1)3.23×3.92.64×2.646.79×7.018.73×8.037.I1x7.04 电源(V)+5+5+5+5+5 功耗(raW)90807010030 管脚4B脚QIP28脚MFP04嘟QIP8站QIP48拜QIP 功能射频ATF处理误码校正词制.辑谓磁鼓伺服 记录/还音A/D/A接口存贮器控制 还音均衡子码处理 复制 R—DAT磁带的高速复制虽日前无法实 现,但将来是可能实现的.在磁接触复印技术 中,预先录制的母带和拷贝磁带的磁表面是处 于瓦相接触的(图lo).在接触区加上一磁偏. 58 这种复印处理可以称为理想的无磁滞磁化处 理.首先.母带和拷贝磁带紧紧挤压在一起.然 后复印鼓旋转并驱动母带和拷贝磁带.这两种 磁带是由空气压力挤压到复印鼓上的.在复印 处理期间.仔细调节复印鼓周围母带和拷贝磁 电声技术4/199l 带的张力,如图10所示.前面叙述过,90包 绕角在高速搜索时有优点,在复印处理时它阿 样具有优越性. 表4高速复制的复制带特性 复制带的误码率 在校正之前的平均方块误码率小于10一,重 放信号是全部校正和稳定的. 复制带的包络脉动 信号输出的包络脉动是1.5dB,.,低于普通 磁带录音复制带. 复制带的迹形线性 复制带的迹形线性小于3#mP.,. 复制机的规格 复制机的基本规格 带宽 偏磁磁头 偏磁磁场颠率 接触压力 复制速度 母带倒带速度 3.8lmm 铁氧体环形磁头 2O0kHz 4kg/cra 4m/s 6m/s 磁接触复印处理也存在着某些限制母带 的矫顽力必须大约是拷贝磁带的三倍.在 R—DAT母带中使用的金属粒子磁带可以记录 很短波长.因此,适合拷贝的磁带必须具有700 奥斯特的矫顽力的范围和记录短波长的能力. 正在开发的钡铁磁带将有这些性能.' 磁接触复印处理产生两个问题第一,为 什么在复印处理期间,母带不会被抹音?这是 用加垂直于磁带表面的偏磁场以减小消磁效应 来避免抹音的(图l】).另外,复录磁鼓用了 软铁,以增加偏磁场的垂直分量. 另一个阔题是如何使拷贝带与原生带相似 (图l2).从电子学角度讲,0.67微米最短波 长的输出比普通拷贝磁带低3.5dB.实际上. 这并不是问题,因为录音机有足够的余量弥补 输出的不足. . 高速复印的另一个特性是约lookHz的 ATF信号输出很低.因此,母带的ATF信号 必须进行预加重复印磁带的原始比特误码率 电声拉术41190j 痤小于i×10一--.在这种条件下再生信号可完 全被校正由机械和循迹误差产生的包络起伏 小于1.5dB峰/峰值磁迹的线性小于3微米 蜂/峰值.人们期望不久能生产出为正常速度 150倍的高速复录机. 盒钱磁带尺寸 这种盒式磁带是完全密封的结构,尺寸为 73×54×10.5(毫米.),重量约为20克(图13) R-DAT的未来 半导体制造商正在设法迅速地降低成本. 这就能使采用数字技术的设备有许多新应用. 如果能制造出非常小的磁鼓,那么更小的数字 磁带录音机就能放在手心上.通过磁带速度减 半和改变取样频率的方法就可以使记录时间从 4小时增加到6个小时或者提供4个声道.此外, 借助于子码安排自动方式选择,录音机可以有 许多新的应用,包括用作廉价的数字记录器或 音频记录控制台的附件. 攀k嚣韶孙""嚣嚣 图10高速复录过程 C H日 H日 图11R-DAT高速复录 结语 R—DAT和它的辅助设备很理想地适用于 广播,电视和电影业.这是35年来1/4英寸模 NAB盒式磁带受到 }f』磁带格式和广泛应用的 59 l曼地?j音乐合成器的构造和功能(续篇),,…一目,J,口?H丘d口1l1JJ一\;旰 日 五,门电路 门电路是使声源信号或控制信号在其它控 制信号作用下通过或截止的电路.信号通过量 是由电压控制的.所以叫作压控衰减器或压控 放大器,简称为门电路.此外,因为其工 作原理完全与产生震音的谰制器相同.所以电 可以称作振辐谰制器. 如图iJ所示,把门电路接于正弦波信号源 输出端,以来自包络线发生器的控制信号对门 电路进行控制时,在门电路输出端可产生其包 络线对应于包络线发生器输出信号的信号生 成钢琴,拨弦古钢琴等的衰减啬或管乐器的秘 定音肘全都用到这种屯路. 六,包络线发生器 对声音进行分析时,实际所采取的方法是 把声音分解为一些信息,观察信息的时问变 化.台成时则相反,是用这些信息来构成声 '一'….-_…,'……一一,,'?-一 的第一次挑战.它为广播系统实现目动化提供 了很好的机会,更重要的是它为在家的听众提 供了质量高的声音而不用花钱购买高价的数字 录音机. 60 音.以电压的时间变化取代信息的时间变化 时,所给IB的电压曲线就称为包络线(常简称 为包络).在感觉上最易于掌握的包络线是音量 包络线.图12所示为其一例 在图i2中,(a)是观测到的波形,(b)是从 (a)波形提取出来的轮廓线,直观上很容易理 解. 就图i3的波形(a)而吉,因为从发生到消 逝为J音量是不变化I!J{『所以音量包络线为图b 时闻 音量包j矗缱 /,———,..一 目l2音量包络鲠一掰时间 ?——?乙 :卜,蕊—]cc)——J音加培螭]- H闻 时向 所示的方波.但是.如果仔细观察一下波形内 部,可以看出正弦波的振动是随着时间的延续 面变慢的,因而可以把音高包络线表现为(c) 所示衰减波形. 包络线发生器可有各种形式.图i4是典型 的包络线发生器特性.图中,控制信号是以键 盘信号为代表的,指定发生时序的电信号. PeterA.andRyu}c?K.RotatinoDi0itaI AudloTape(R-DAT)?AFormatOyaryiewSMPTE Journal0ct.1987PP.943w948 沈罾睾译王文亮张炳胤校 电声技术4/i991