Содержание к диссертации
Аннотация 5
Основные сокращения и обозначения 6
Введение. Постановка задачи ., Причины возникновения комбинационных помех и искажений 23
1.1. Комбинационные искажения, вызываемые попаданием составляющих ЧМ спектра в полосу пропускания ФНЧ демодулятора 23
1.2. Комбинационные помехи, вызываемые нелинейными искажениями несущей частоты 37
1.3. Комбинационные помехи, вызываемые "отражёнными компонентами спектра ЧМ сигнала 47
1.4. Аппаратурные погрешности формирования и обработки ЧМ сигнала, приводящие к увеличению комбинационных помех и искажений 52
Выводы по первой главе 58
1.5 Влияние параметров системы ЧМ на величину комбинационных помех 59
1.6 Зависимость величины комбинационных помех, вызываемых нелинейными искажениями несущей, от параметров ЧМ 59
1.1. Искажения закона модуляции при взаимодействии ЧМ сиг первой и высшей гармоник несущей частоты 60
1.2. Искажения закона модуляции при взаимодействии ЧМ сигналов первой и высшей гармоник несущей частоты с учётом фильтрующего действия АЧХ ТМЗ 64
.1.3. Расчёт влияния составляющих ЧМ спектров высших гармоник несущей частоты на отношение сигнал/помеха на выходе демодулятора 70
2. Зависимость величины комбинационных помех, вызываемых "отражёнными" компонентами ЧМ спектра, от параметров модуляции 74
Взаимодействие спектра ЧМ сигнала и "отражённых компонент 74
Расчёт влияния "отражённых" компонент спектра ЧМ сигнала на отношение сигнал/помеха на выходе демодулятора 78
Определение суммарного уровня комбинационных помех и ком ,бинационных искажений на выходе системы ЧМ записи 81
Выводы по второй главе 89
Исследование методов подавления комбинационных помех и искажений, возникающих в процессе формирования и записи
ЧМ сигнала 90
Требования к устройствам формирования ЧМ сигнала, обеспечивающим подавление комбинационных помех и искажений 90
Формирователь ЧМ сигнала посредством двойной ЧМ 96
Формирователь ЧМ сигнала с предварительным суммированием
сигналов гетеродина и информационного 107
Выводы по третьей главе 121
Исследование методов подавления комбинационных искажений и комбинационных помех, возникающих в процессе воспроизведения модуляции ЧМ сигнала 123
Требования к устройствам воспроизведения и демодуляции ЧМ сигнала, обеспечивающим подавление комбинационных по мех и искажений 123
Преобразование частоты низкочастотного ЧМ сигнала 127
Варианты построения блока воспроизведения с переносом
спектра воспроизведённого ЧМ сигнала 131
Устройство воспроизведения ЧМ сигнала с косометричным фильтром 131
Устройство воспроизведения ЧМ сигнала с мостом Вина 134 к
3.3. Устройство воспроизведения ЧМ сигнала с двух кратным преобразованием частоты несущей 137
L.3.4. Устройство воспроизведения ЧМ сигнала с АРУ на высокой частоте 139
L.3.5. Блок воспроизведения ЧМ сигнала с переносом спектра ,при помощи фазоразностной модуляции 141
Выводы по четвёртой главе 143
5. Вопросы проектирования систем ЧМ записи с низким уровнем комбинационных помех и искажений 145
5.1. Особенности записи фототелевизионного сигнала. Требования к системе записи фототелевизионного сигнала 145
5.2. Методика проектирования и разработка структурной схемы системы ЧМ записи фототелевизионного сигнала с низким уровнем комбинационных помех и искажений 147
5.3. Результаты испытаний макета системы ЧМ записи фототелевизионных изображений 174
5.4. Особенности использования канала магнитной ЧМ записи для регистрации цифровой информации 176
Выводы по пятой главе 195
Заключение 197
Список литературы 201
Введение к работе
В современных системах передачи и обработки информации значительное место занимают различные запоминающие устройства. Они выполняют задачи, связанные с изменением вида передаваемых сигналов, с согласованием времени получения и передачи информации, с зогласованием различных по пропускной способности каналов связи, з согласованием скоростей получения, обработки и записи полученной информации. В качестве запоминающих устройств для этих целей в настоящее время наиболее часто используются аппараты магнитной записи [ 1,5,9,12,75,76,81 ] .
В связи с высокими требованиями, предъявляемыми к качеству передачи информации по каналу магнитной записи-воспроизведения, интенсивное развитие получают цифровые способы записи. Однако, эбеспечивая высокую точность передачи сигнала, эти способы требуют значительного расширения полосы пропускания тракта записи-воспроизведения и увеличения расхода носителя. Аналоговые способы эбеспечивают более эффективное использование носителя и в ряде случаев, в частности, при работе автоматических устройств с огра-виченным ресурсом ленты, их применение оказывается предпочтительным. Кроме того, ряд задач, связанных с регистрацией широкополосных высокочастотных сигналов пока могут быть более эффективно и просто решены при помощи аналоговых методов записи, так как при дфровых методах частотный диапазон записываемых сигналов оказывается больше полосы пропускания тракта записи-воспроизведения современных аппаратов [88,90,96 J.
Круг решаемых при построении таких устройств вопросов весьма шрок, но главные задачи традиционно состоят в улучшении их основных технико-экономических характеристик - точности и информа ционной плотности записи [ 2,3,5 J.
К аналоговым методам записи относятся : прямая запись, запись с амплитудной, частотной, периодной, широтно-импульсной и фазовой модуляцией. Среди них наиболее перспективной и распространённой является запись с использованием частотной модуляции /ЧМ/. Это объясняется достаточной простотой применяемых технических решений и хорошей разработкой вопросов ЧМ в общей теории связи, а главное тем, что, варьируя параметры ЧМ, можно получить приемлемый компромисс между требуемой точностью записи и необходимой для её достижения полосой пропускания тракта. ЧМ позволяет обеспечить малую чувствительность к мультипликативным помехам, высокую помехоустойчивость по отношению к паразитной частотной модуляции из-за колебаний скорости движения носителя и действия аддитивных шумов [ 5,6]
Все современные видеомагнитофоны - как для записи изображения, так и в последних разработках для записи звука построены с применением ЧМ 1 3,4,11,99 J . Частотная модуляция используется в различных приборах для регистрации результатов научных исследований [1,5,6 J в устройствах записи фототелевизионных изображений, работающих на борту космических аппаратов [12,92J . Аппаратура для точной магнитной записи широкого назначения, выпускаемая рядом зарубежных фирм /Ampex, Kagra, Schlumberger, Teela И др./ построена также с применением частотной модуляции [86,102 .
Обобщённая структурная схема канала магнитной ЧМ записи-воспроизведения. Блок записи содержит предварительный усилитель, частотный модулятор, усилитель записи, головку записи, а блок воспроизведения - головку воспроизведения, предварительный усилитель воспроизведения, усилитель-ограничитель, частотный демодулятор, фильтр нижних частот, выходной усилитель.
Применение частотной модуляции для магнитной записи имеет ряд специфических особенностей, которые связаны со свойствами амплитудно-частотной характеристики /АЧХ/ тракта записи-воспроизведения и действующих в нём помех. АЧХ тракта весьма широкополосна /отношение граничных частот порядка сотен и тысяч/ и неравномерна /до 30 40 дБ/. Аддитивные помехи сравнительно малы, но воспроизводимый сигнал имеет паразитную амплитудную модуляцию /ПАЭД/ из-за неконтакта и неоднородности носителя, а также паразитную частотную модуляцию, вызванную колебаниями скорости движения носителя.
Как известно [13,14] , основные характеристики системы частотной модуляции определяются соотношениями между спектром модулирующего сигнала (FnHlfr акс) » значением несущей частоты f0 и максимальной девиацией частоты д . Соотношения эти задаются следующими коэффициентами: - минимальный индекс частотной модуляции, т =&f0/f, - глубина " коэффициент следования. Здесь рмии - минимальная частота спектра модулирующего сигнала, Рмакс - максимальная частота этого спектра. В зависимости от величины этих коэффициентов можно выделить три группы устройств магнитной ЧМ записи, которые различаются параметрами модуляции
К первой группе относятся устройства так называемой широкополосной точной ЧМ записи, параметры модуляции для которой определяются согласно рекомендациям телеметрического стандарта JSO : т= 0,4 ; р = 2,2 ; = 5,4 иж ґп = 0,3 ; fi = 0,675 ; Є = 2,21 На рис.В.2 и В.З приведены типичные АЧХ тракта записи-воспроизведения и показана расстановка частот для этих двух вариантов. Видно, что при таких параметрах модуляции для неискажённой передачи модулирующих сигналов требуется широкая, от AFiimc прит =0,3 до ЮРмакс при т. =0,4 , полоса пропускания тракта. Спектр ЧМ сигнала расположен асимметрично относительно полосы пропускания тракта и занимает около половины её ширины. Это говорит о
Ко второй группе относятся устройства с узкополосной системой ЧМ записи, для которой параметры модуляции составляютm. = 0,13 0,16; fi = 0,1 f 0,3; В =1,65 2,01. Узкополосная система ЧМ записи используется в видеомагнитофонах. На рис.В.4, В.5, В.6 приведены аналогичные рис.В.2 и В.З соотношения для так называемых "сверхширокополосного " , "широкополосного" и "узкополосного" стандартов видеозаписи. Видно, что в видеомагнитофонах полоса пропускания тракта примерно в 2 -г 3 раза превышает полосу частот входного сигнала и поэтому информационная плотность записи в видеомагнитофонах значительно выше, чем в устройствах точной ЧМ записи.
Использование узкополосной ЧМ записи и переход к вращающимся головкам позволили осуществить при достигнутой современной технологией разрешающей способности тракта запись таких высокочастотных информационных сигналов, как телевизионные 6 мГц. Однако устройства узкополосной ЧМ записи имеют худшую помехозащищённость .
К третьей группе относятся специализированные устройства ЧМ записи, работающие, как правило, в сложных условиях эксплуатации. Характер записываемой информации, предназначенной обычно для последующего инструментального анализа, определяет высокие требования к точности записи, аналогичные требованиям к системам точной магнитной записи. Однако ограниченный вес и габариты, а также то, что специализированные системы записи чаще всего являются автономными необслуживаемыми, дистанционно управляемыми устройствами с простыми и надёжными лентопротяжными механизмами не позволяет снизить коэффициент колебаний скорости движения носителя в них менее, чем до 0,3 0,5$. Кроме того, ограниченный ресурс носителя и стремление к увеличению времени записи требует максимального увеличения плотности записи информационного сигнала, приближения её к величинам, характерным для записи телевизионных изображений.
Для удовлетворения этих противоречивых требований параметры ЧМ сигнала должны быть выбраны так, чтобы сочеталась значительная глубина модуляции т ъ 0,3 0,4 с коэффициентом следования
I & 1,6 2,0. Однако при используемых в настоящее время методах модуляции-демодуляции такой выбор параметров оказывается невозможным из-за резкого возрастания уровня комбинационных помех и искажений при демодуляции.
Комбинационные искажения вызываются перекрытием спектров информационного и ЧМ сигналов, а комбинационные помехи - взаимо 15
действием ЧМ сигнала с паразитными спектральными компонентами, возникающими в процессе его формирования и обработки. Различие между ними состоит в механизме действия на выходной сигнал. Комбинационные искажения представляют собой низкочастотные составляющие ЧМ спектра, которые непосредственно попадают на выход демодулятора вместе с информационным сигналом. Комбинационные помехи вызывают изменение закона модуляции в результате взаимодействия ЧМ сигнала с компонентами паразитных продуктов.
При гармоническом модулирующем сигнале и гармонической несущей ЧМ колебание описывается известным выражением [l3i :
Из /B.I/ следует, что спектр ЧМ сигнала бесконечен. Однако вследствие быстрого уменьшения уровня спектральных компонент по мере удаления от несущей частоты заметные искажения могут быть связаны только с составляющими, лежащими в ограниченной полосе частот [14] . Для учёта этого при анализе ЧМ систем вводят понятие эффективной /фактической, действительной/ ширины спектра, которую определяют либо из энергетических соображений, отбрасывая составляющие с заданным малым уровнем, либо из допустимых норм нелинейных искажений и пороговых характеристик приёмных устройств.
При больших значениях коэффициента следования t , характерных для обычных систем ЧМ радиосвязи, спектры информационных и модулированных сигналов, а также паразитные компоненты преобразования и обработки легко расфильтровываются, и взаимодействующие спектральные компоненты имеют столь малый уровень, что с ними можно не считаться. Иначе обстоит дело в магнитной записи при малых значениях коэффициента следования.
Как видно из рисунков Б.2 - В.6, при магнитной записи спектры модулирующих и модулированных сигналов располагаются в смежных или даже общих частотных диапазонах. Поэтому приходится принимать специальные меры для предотвращения их перекрытия.
В устройствах точной широкополосной ЧМ записи при т = 0,4 и -В = 5,4 комбинационные искажения практически отсутствуют 10 В подобных устройствах при т = 0,3 и в видеомагнитофонах при стандартном т = 0,13 -г 0,16 для разделения спектров и уменьшения комбинационных искажений прибегают к увеличению значения t при помощи удвоения частоты несущей при демодуляции [ 22,29) . Кроме того, стандарты видеозаписи построены таким образом, чтобы обеспечить минимум комбинационных искажений, связанных с наличием в спектре информационного сигнала мощной компоненты поднесущей цветности [ 3,4,79j .
Для работы специализированных устройств с параметрами частотной модуляции, обеспечивающими высокую точность и информационную плотность записи, необходимо существенно уменьшить уровень комбинационных помех и искажений. Данная диссертация и посвящена исследованию и разработке методов и устройств уменьшения комбинационных искажений и помех в специализированных системах магнитной ЧМ записи, хотя многие результаты могут быть использованы и в других приложениях.
Работы в этом направлении проводились и ранее. Исследовались возможности умножения частоты несущей более, чем в 2 раза Г20,22,84] предлагались способы адаптивного управления параметрами частотной модуляции в зависимости от текущих характеристик входного сигнала [ 42,43,81 J , проводилась оптимизация выбора параметров ЧМ с учётом совместного действия комбинационных искажений и колебаний скорости движения носителя [23J . Умножение несущей частоты более, чем в 2 раза практического применения не нашло, так как при наличии ПАМ воспроизводимого сигнала даже учетверение частоты сопровождалось значительными ошибками, которые сводили на нет выигрыш по комбинационным искажениям.
Несмотря на показанные теоретически большие возможности адаптивных методов записи, они также не нашли пока практического применения из-за некоторых трудностей реализации. Выбор параметров ЧМ, обеспечивающих равноточность системы записи по отношению к различным источникам погрешностей, позволил создать систему записи фототелевизионных изображений, у которой отношение граничной полосы пропускания тракта к FMUKC было равно 6, = 3,1 ;
fi = 1,6 ; то = 0,5, что обеспечивало отношение сигнал/шум, свойственное системам точной ЧМ записи 132 J. Приведённые параметры являются, повидимому, пределом совершенствования устройств модуляции и демодуляции для данного вида систем ЧМ записи, использующих преобразование ЧМ в ЧИМ с удвоением несущей частоты при демодуляции.
Задача дальнейшего повышения плотности и точности записи потребовала более глубокого изучения причин появления, механизма действия, зависимости уровня комбинационных помех и искажений от параметров модуляции, а затем разработки на этой основе новых принципов формирования и преобразования ЧМ сигнала, которые бы обеспечивали существенное подавление комбинационных помех и искажений при необходимых для эффективного функционирования специализированных устройств магнитной записи характеристиках системы. Исследованию комбинационных помех и искажений посвящен ряд работ, как в общей импульсной радиосвязи [l9j , так и применительно к точной [ю,18,20,22 J и видеозаписи [з,4,II,28,29,78 ] . Наиболее подробно были исследованы комбинационные искажения демоду-лированного сигнала. В значительно меньшей степени изучены комбинационные помехи, механизм их действия на выходной сигнал, зависимость уровня помех на выходе от параметров модуляции, выбор этих параметров рациональным образом. Не рассмотрена проблема суммирования и взаимодействия комбинационных помех и искажений. В работах практически полностью отсутствуют рекомендации по уменьшению комбинационных помех и искажений аппаратурными средствами.
Особенно актуальны в настоящее время вопросы, связанные с записью цифровых сигналов. Комбинационные искажения и помехи играют важную роль при определении параметров и оптимизации систем цифровой ЧМ записи. В частности, такие проблемы возникают при использовании видеомагнитофонов для записи высокоскоростных цифровых потоков [9,30 J . Конкретных рекомендаций, относящихся к цифровой ЧМ записи, в литературе практически нет.
Таким образом, из проведённого обзора видно, что, несмотря на наличие работ, посвященных проблемам исследования комбинационных помех и искажений и повышения информационной плотности и точности ЧМ записи, многие важные вопросы остались не рассмотренными. Поэтому перед данной диссертационной работой были поставлены следующие основные задачи.
1. Провести подробный анализ причин возникновения комбинационных помех и искажений в системах магнитной ЧМ записи; определить условия, при которых эти причины проявляются.
2. Определить зависимости уровня комбинационных помех от параметров частотной модуляции; дать количественные оценки этих зависимостей. Определить закон суммирования комбинационных помех и искажений на выходе системы для различных типов модемов.
3. Разработать методы формирования и обработки ЧМ сигнала, обеспечивающие подавление комбинационных помех и искажений и запись его с высокой точностью и информационной плотностью. РазрабО тать устройства, реализующие эти методы.
4. Разработать методику проектирования систем ЧМ записи с низким уровнем комбинационных помех и искажений, высокой информационной плотностью и точностью записи. Провести макетирование и испытания разработанной системы.
5. Исследовать влияние комбинационных искажений при записи цифровой информации в ЧМ канале.
Эти вопросы являются частью научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре радиовещания и электроакустики МЭИС в 1974-1975 годах и на кафедре многоканальной электросвязи ВЗЭИС в 1976-1983 годах в рамках хоздоговорной и госбюджетной тематики.
В процессе решения поставленных задач использовались методы теории передачи сигналов, математического анализа, специальных функций. Проводилось макетирование и испытания разработанных устройств. Выполнялись расчёты на ЭВМ.
На защиту выносятся следующие результаты диссертационной работы:
1. Результаты анализа причин и условий возникновения комбинационных помех и искажений, позволившие установить зависимости их уровня от параметров ЧМ и определить правила суммирования комбинационных искажений и помех разных видов. Проведённый анализ является основой для оценки помехоустойчивости систем магнитной ЧМ записи и оптимизации их по минимуму искажений.
2. Метод формирования, записи, воспроизведения и обработки ЧМ сигнала, обеспечивающий подавление комбинационных помех и искажений в системах магнитной ЧМ записи с высокой информационной плотностью и точностью. Практическая реализация этого метода позволила создать систему записи фототелевизионных изображений со следующими параметрами частотной модуляции: t = 1,6 ; /л = 0,4 ; которые обеспечили отношение сигнал/помеха при воспроизведении 30 дБ на лентопротяжном механизме с коэффициентом колебаний скорости - 1%.
3. Способы формирования ЧМ сигнала с низкой гармонической несущей посредством двойной ЧМ или предварительным суммированием модулирующего сигнала с сигналом гетеродина. Структурные схемы реализующих эти методы устройств, соотношения для расчёта их оптимальных параметров. Разработанные устройства позволяют подавить в блоке записи комбинационные помехи, связанные с нелинейными искажениями несущей ЧМ сигнала /Авторские свидетельства № 409281, № 532972 и № 775746/.
4. Способы уменьшения искажений информационного сигнала, связанных с преобразованием спектра широкополосного низкочастотного ЧМ колебания при демодуляции, структурные схемы устройств, реализующих эти методы и соотношения для расчёта их оптимальных параметров /Авторские свидетельства.
5. Методика проектирования систем ЧМ записи с низким уровнем комбинационных помех и искажений и высокой информационной плотностью записи, структурная схема системы записи-воспроизведения, результаты испытаний макета системы, позволившие сделать вывод о возможности записи ЧМ сигнала с параметрами, сочетающими высокую информационную плотность систем видеозаписи с точностью систем записи измерительной информации.
6. Метод магнитной записи цифровой информации в канале с ЧМ, состоящий в том, что сигнал тактовой синхронизации записывается на одной дорожке с ЧМ сигналом при помощи частотного разделения. Структурная схема реализующего этот метод устройства /Ав 21 торское свидетельство № 851462/, правила выбора оптимальных параметров ЧМ и оптимизации характеристик входящих в устройство записи элементов. Оценка эффективности цифровой магнитной записи. Разработанное устройство позволило организовать запись двоичной информации в ЧМ канале с плотностью порядка 500 бит/мм с достоверен ностью 10 при характеристиках тракта магнитной записи среднего качества.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.
В первой главе проведён анализ причин и условий возникновения комбинационных искажений и помех, определены фазовые соотношения составляющих ЧМ сигнала с отражёнными компонентами, рассмотрены аппаратурные погрешности, приводящие к увеличению уровня комбинационных помех и искажений.
Вторая глава посвящена выводу и анализу зависимости уровня комбинационных помех на выходе идеального частотного демодулятора от параметров системы частотной модуляции, определены требования к уровню нелинейных искажений несущей, а также правило суммирования комбинационных помех и искажений на выходе системы, определён выигрыш идеального частотного демодулятора по отношению к демодулятору ЧМ-ЧИМ.
В третьей главе на основе результатов, полученных в первых двух главах, сформулированы требования к элементам блока записи, выполнение которых обеспечивает подавление комбинационных помех в процессе формирования и записи ЧМ сигнала с высокой информационной плотностью и точностью. Разработаны и исследованы устройства формирования ЧМ сигнала, отвечающие сформулированным требованиям.
Четвёртая глава посвящена определению требовании к элементам блока воспроизведения, выполнение которых обеспечивает подавление комбинационных помех в процессе воспроизведения и демодуляции за писанного с высокой информационной плотностью и точностью ЧМ сигнала. Разработаны и исследованы устройства преобразования ЧМ сигнала, отвечающие выработанным требованиям.
Пятая глава посвящена рассмотрению вопросов проектирования и использования систем ЧМ записи с низким уровнем комбинационных искажений и помех. Разработана методика проектирования таких систем, на основании которой создан макет системы ЧМ записи фототелевизионных изображений, проведены его испытания. Рассмотрены вопросы использования канала магнитной ЧМ записи для регистрации цифровой информации.
В. заключении приводятся основные результаты проведённых исследований и намечаются перспективы их продолжения.
В приложении I приводится список публикаций автора по теме диссертации; в приложении 2 содержатся акты о внедрении результатов диссертационной работы; в приложении 3 - авторские свидетельства на изобретения, сделанные автором в процессе работы над диссертацией.
