Цифровые магнитофоны и комплекты цифровой записи с использованием .видеомагнитофонов позволяют осуществить запись, воспроизведение, перезапись и электронный монтаж звуковых программ с сохранением высокого качества сигналов при десятикратном последовательном копировании. Основные преимущества цифровой звукозаписи в наибольшей степени проявляются при профессиональном ее применении: в тон-ателье, студиях грамзаписи, в аппа-ратно-студийных комплексах радиовещания и телевидения, в кинопроизводстве.
В быту используют простейшие операции — запись, воспроизведение и перезапись программ или отдельных фрагментов. В этом случае потребителю не требуется никакое дополнительное оборудование.
Запись цифровых фонограмм-оригиналов. В студиях грамзаписи, радиовещания, телевидения, в киностудиях процесс подготовки программ начинается с записи фонограмм-оригиналов.
Структурная схема оборудования для записи оригиналов в аналого-цифровых студиях приведена на рис. 45. Сигналы от микрофонов 1, расположенных в зале студии, поступают на микшерный пульт звукорежиссера 2. Звукорежиссер производит микширование, предварительный баланс звука, приходящего от различных источников (от различных групп инструментов, солистов, хора), и осуществляет запись сигналов на многоканальный цифровой магнитофон (МЦМ) 5 и (или) на цифровые магнитофоны (ЦМ) 3 либо на комплекты цифровой записи звука с использованием видеомагнитофонов 4. В случае использования аналогового микшерного пульта аналого-цифровое преобразование сигналов производится в цифровых магнитофонах. Техническое качество записанного сигнала определяется аналоговой частью оборудования студии (от микрофонов до выхода микшерного пульта).
Несравненно более высокое качество записанных оригиналов может быть получено в полностью цифровых студиях (рис. 46). Цифровой сигнал образуется непосредственно на выходах цифровых микрофонов 1, на выходе электронных музыкальных инструментов или синтезаторов музыки 2. Сигнал от цифровых источников звука поступает на входы цифрового микшерного пульта (ЦМП) 3 и после коррекции и микширования поступает далее для записи «а многоканальный цифровой магнитофон 6 и (или) на цифровые магнитофоны 4 или комплекты 5. Обработка сигнала в цифровом микшерном пульте (усиление, микширование и амплитудно-частотная коррекция) производится в цифровой форме.
Операция усиления сводится к умножению цифровых слов каждого отсчета звукового сигнала на коэффициенты. Для микширования используется операция сложения слов отсчетов, умноженных на коэффициенты, изменяющиеся либо автоматически по определенному закону, либо в соответствии с изменением положения движка регулятора уровня, перемещаемого вручную звукорежиссером.
На рис. 47 показаны отсчеты сигналов Л и В до а) и после б) микширования.
Рис. 47. Преобразование отсчетов цифровых сигналов при микшировании:
а — изменение значений отсчетов сигналов перед микшированием; б — значение отсчетов после микширования
Более сложная обработка — цифровая фильтрация с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) — предполагает многократные операции сложения и умножения двоичных чисел для нахождения коэффициентов разложения сигнала в ряд Фурье, перемножения коэффициентов на дискретные значения коэффициента передачи фильтра и для обратного преобразования Фурье.
Рис. 48. Подготовка цифровых звуковых программ:
1 — цифровой магнитофон; 2,7 — комплект цифровой записи звука (2.1, 7.1 — цифровые преобразователи звука; 2.2, 7.2 — видеомагнитофон); 3 — многоканальный цифровой магнитофон; 4 — дифровой микшерный, пульт; 5 — цифровые устройства спецэффектов (линии задержки, ревербераторы и т. п.); 6 — цифровой магнитофон; 7 — комплекс цифровой записи звука
Подготовка цифровых звуковых программ. Для подготовки звуковых программ в цифровых студиях грамзаписи и радиовещания используют цифровые стереофонические 1 и многоканальные 3 магнитофоны и (или) комплекты цифровой записи 2 (рис. 48) для воспроизведения оригиналов и цифровые магнитофоны б или комплекты 7 для записи и электронного монтажа звуковой программы. Монтаж осуществляется с помощью цифрового микшерного или монтажного пульта 4. К пульту подсоединены цифровые устройства спецэффектов 5 (линии задержки, ревербераторы, синтезаторы) и дополнительные источники сигналов.
На фонограммах-оригиналах помимо звукового сигнала записан сигнал временного и управляющего 80-битного кода. Для их записи используют бичас-тотный код. Поиск необходимых фрагментой фонограмм на воспроизводящих магнитофонах производится по записанным на дорожке временного кода значениям текущего времени либо автоматически по заданной программе, либо вручную с пульта монтажа. Грубый монтаж «вставка» и «продолжение» осуществляется по 80-битному коду с точностью до 40 мс. Сглаживание разных переходов сигнала в точке монтажа достигается плавным уменьшением значе-«ий отсчетов одного из записываемых сигналов и увеличением значений отсчетов другого сигнала.
Рис. 49. Пульт электронного монтажа:
1 — входное устройство; 2 — блок памяти; 3 — интерполятор; 4 — управляемый генератор импульсов; 5 — устройство управления адресами ЗУ блока памяти
Тонкий вид работ — электронное редактирование речевой или музыкальной фразы — требует более высокой точности определения точки монтажа. Пульт электронного монтажа (рис. 49) обеспечивает эту возможность. Он содержит входной усилитель 1, устройство памяти 2, интерполятор 3, устройство управления адресами ЗУ блока памяти и управляемый генератор импульсов. В память записываются цифровые сигналы монтируемых фрагментов программы (несколько секунд до и после предполагаемой точки монтажа, предварительно определенной по временному коду) и сигналы временного кода. Затем производят синхронный откат (перемотку ленты назад на небольшой интервал) записывающего и воспроизводящих магнитофонов. (Синхронное перемещение ленты на магнитофонах достигается благодаря управлению по 80-битному коду.) После этого медленно перемещают ленту вручную или с помощью специального регулятора, расположенного на монтажном пульте и связанного с управляемым генератором импульсов 4. При этом из запоминающего устройства 2 считывается записанный сигнал программы в соответствии с адресами,, задаваемыми устройством управления адресов 5. Каждый импульс генератора 4 изменяет адрес считывания на единицу. Вращая регулятор в ту или иную сторону, можно, перебирая все адреса памяти, найти необходимую точку монтажа с высокой точностью.
После нахождения требуемой точки монтажа нажатием кнопки вводят в ЗУ код адреса этой точки. Начиная с этого адреса, производится интерполяция отсчетов, записанных в памяти монтируемых сигналов. Полная замена одного сигнала другим может производиться с различной скоростью (обычно от 1 до 100 мс), задаваемой оператором или по программе. При последующем откате и включении режима монтажа на ленту записывается сигнал, считываемый из ЗУ, интерполированный по заданному закону, начиная с заданной точки. Точность электронного монтажа обычно составляет сотни микросекунд.
Примерами подобных монтажных пультов служат пульт DAE-1100 фирмы Sony (Япония) для комплекта цифровой записи, состоящего из цифрового преобразователя РСМ-1610 и видеомагнитофона, и пульт ХЕ-1 фирмы AEG-Telefunken (ФРГ) для цифровых магнитофонов МХ-80 (МХ-80А),
Выдача цифровых радиопрограмм в эфир. Аппаратно-программные блокк содержат несколько воспроизводящих цифровых магнитофонов 1, 2, 3 с под-готовленными программами, другие источники программ 4 (проигрыватель цифровых фонограмм на дисках, микрофон диктора и пр.) и цифровой коммутатор 5 (рис. 50). Цифровым коммутатором осуществляется автоматический устапов программ на начало и автоматическое включение магнитофонов в нужной очередности и соответствующая коммутация воспроизводимых цифровых сигналов. «Вывод» заканчивающейся и «Ввод» начинающейся программы производится с плавной интерполяцией отсчетов. Управление осуществляется по программе или вручную с использованием 80-битного временного и управляющего кода.
Цифровой сигнал с выхода коммутационного пульта в виде кода студии перед вводом в цифровую сеть связи вначале преобразуется в код линии в транскодере или передискретизаторе 6. После этого сигнал радиопрограммы в виде кода линии поступает в объединитель цифровых потоков 7, где объединяется с другими сигналами в соответствии с иерархией группообразования цифровых сетей связи. Далее сигнал поступает в передатчик наземной 8 или спутниковой 9 линии связи. Он может быть также подан в УКВ передатчик для местного вещания.
Рис 51. Запись оригиналов видеофонограмм и цифровых фонограмм:
Особенности использования цифровых магнитофонов в телевидении и кинематографии. Цифровые сигналы звука в студиях. Запись оригиналов и подготовку звуковой части программ в телевидении и кинопроизводстве производят так же, как и в студиях грамзаписи и радиовещания (рис. 51 и 52). Единственным, но весьма существенным отличием технологии подготовки звуковых программ в телевидении и кино от подготовки программ в радиовещании и грамзаписи является необходимость синхронности изображения и звука.
Рис. 52. Подготовка программ телевидения:
1 — видеомагнитофон; 2 — цифровой видеомагнитофон; 3 — дополнительные источники изображения; 4 — устройство видеоспецэффектов; 5 — пульт электронного монтажа видеофонограмм; 6 — видеомагнитофоны (включая цифровые); 7 — многоканалпныи. цифровой магнитофон; 8, 10 — цифровой магнитофон; 11 — дополнительные источники звука; 12 — устройство звуковых спецэффектов
Для обеспечения возможности синхронизации сигналов изображения и, звука необходимо, чтобы на законченный фрагмент телевизионного или киноизображения приходилось целое число фрагментов звука.
Частота дискретизации звука 48 кГц, выбранная для студий радиовещания и телевидения, принципиально обеспечивает выполнение этого условия для, 625-строчного телевидения и кино. Действительно, на один телевизионный кадр изображения приходится ровно 1920 отсчетов звука, на один кинокадр — 2000 отсчетов. На пять кадров 525-строчного телевидения приходится 8008 отсчетов. Таким образом, синхронная коммутация изображения и звука возможна каждый кадр 625-строчного телевидения и кино и через пять кадров. 525-строчного телевидения.
Для синхронной с изображением коммутации кодированных и сигналов звука необходимо, чтобы на один фрагмент изображения приходилось целое число кодированных блоков. Если каждый из кодовых блоков будет содержать лишь один отсчет звукового сигнала, он будет слишком перегружен служебной информацией идентификации и управления и избыточность кода будет слишком велика. Чем больше длина кодового блока (по количеству отсчетов), тем меньше избыточность кода из-за служебной информации. С другой стороны, желательно, чтобы кодированный фрагмент звука был в одинаковой степени пригоден для любого студийного применения (для любой из систем телевидения, кино, радиовещания и грамзаписи). Фрагмент максимальной длительности, пригодный для всех применений, содержит 8 отсчетов звукового сигнала (1920, 2000 и 8008 делятся на 8 без остатка). Другие универсальные по применимости фрагменты содержат 4, 2 и 1 отсчет.
Таким образом, универсальность кодов студий может быть обеспечена применением кодов, основанных на использовании фрагментов, длительностью в 1, 2, 4 или 8 отсчетов. Минимальная избыточность кодов при прочих равных условиях будет у кода, основанного на фрагменте в 8 отсчетов.
Желательно, чтобы кодированный фрагмент содержал целое число битов на интервале в 8 отсчетов. Кроме того, целесообразно, чтобы тактовая частота сформированного кода была связана целочисленным соотношением с одной из основных частот телевидения. Универсальной частотой телевидения можно считать частоту 216 МГц (частота информационных бит при последовательной передаче сигналов цифрового телевидения) или частоту 27 МГц (частота информационных бит при параллельной передаче сигналов цифрового телевидения). Существует ряд тактовых частот для кода звукового сигнала, удовлетворяющий перечисленным условиям: 0,96; 1,0; 1,08; 1,125; 1,2; 1,35; 1,5; 1,6; 1,6875; 1,728; 1,8; 2,0; 2,16; 2,25; 2,4; 2,7; 2,88; 3,0; 3,375; 3,6 МГц.
Коды звуковых сигналов студий, основанные на использовании фрагментов универсальной длительности, с тактовыми частотами, выбранными из указанного ряда, оказываются универсальными при любом профессиональном студийном применении.
Следует отметить, что коды студии, используемые японскими, западно--европейскими фирмами в аппаратуре, упомянутой на с. 37, 41, отвечают лишь первой части перечисленных требований длительность фрагмента равна одному отсчету, что обеспечивает универсальность Тактовые же частоты связаны удобными соотношениями не с частотами цифрового телевидения, а с частотой цифровой сети связи (2048 кГц) и составляют 3072 кГц. При этом предполагаются синхронный ввод цифровых сигналов в аппаратуру связи и асинхронный ввод в студийную аппаратуру телевидения. Последнее обстоятельство несколько усложняет устройства сопряжения цифровых магнитофонов для телевидения.
Цифровые сигналы в магнитофонах для телевидения. Соображения, касающиеся кодов студий, в такой же степени относятся и к кодам цифровой записи, т. е. синхронный монтаж изображения будет обеспечен одинаковыми и простыми средствами для всех профессиональных применений, если коды записи будут сформированы на основе фрагментов длительностью в 1, 2, 4 или 8 отсчетов. В противном случае не достигается универсальность применения цифровой аппаратуры магнитной записи. Желательно использование тактовых частот, указанных ранее.
В качестве примера рассмотрим комплект цифровой записи звука с касетным видеомагнитофоном U-формата и цифрового преобразователя РСМ 1610 фирмы Sony. В случае использования этого комплекта в телевизионных студиях, рассчитанных на систему телевидения НТСЦ (525 строк, 60 полей/с), никаких затруднений коммутации и монтажа цифровых фонограмм не возникает. В то же время использование этого комплекта для синхронной коммутации и монтажа в студиях, рассчитанных на другие системы телевидения — СЕКАМ и ПАЛ (625 строк, 50 полей/с), вызывает серьезные затруднения. При использовании стандартной частоты дискретизации 48 кГц частота полей квазителевизионного сигнала оказывается равной 65,31 Гц. Отличие этой частоты от стандартной частоты полей указанных систем (50 Гц) весьма затрудняет управление видеомагнитофоном, входящим в комплект записи звука, в синхронном с видеомагнитофонами для сигнала изображения режиме. При этом значительно затруднены синхронная коммутация и синхронный монтаж. Осуществление же дополнительных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразований для достижения совместимости звуковых сигналов приводит к дополнительным искажениям сигнала и ухудшению отношения сигнал-шум.
Таким образом, в цифровых магнитофонах и цифровых комплектах записи звука с применением видеомагнитофонов желательно использовать универсальные коды.
Метрологическое обеспечение аппаратуры цифровой записи звука. Для измерения сигналов программы и для контроля состояния аппаратуры традиционно используется измерительная аппаратура, рассчитанная на аналоговую студийную аппаратуру. При цифровой звукозаписи и цифровой обработке сигналов требуются некоторые поправки к существующим методам измерения.
Превышение сигналом виртуальных порогов аналого-цифрового преобразования приводит к появлению биений в декодированном сигнале. Даже короткие пики в исходном сигнале программы могут привести к заметным искажениям выходного (на выходе ЦАП) сигнала. Поэтому измеритель уровня, используемый для порогового ограничения либо для контроля уровня на входе АЦП, должен быть пиковым.
Измерение шума может проводиться известным методом в соответствии с Рекомендацией МККР 468-3: измеряются взвешенные значения шума (кривая взвешивания имеет подъем 6 дБ/окт до частоты 6,8 кГц и спад 12 дБ/окт на более высоких частотах, пересечение «О дБ» происходит на частоте 1 кГц); показывающий прибор — квазипиковый.
Измерение действующего значения сигнала к шуму, измеренному этим методом для случая, когда имеется запас на перегрузку с учетом пиков программы, дает реальное значение для музыкальных программ, близкое к 75 дБ (вместо максимального значения, полученного для синусоидального сигнала максимального уровня и шума, измеренного измерителем действующих значений, равного 98 дБ).
Измерение нелинейных (гармонических и интермодуляционных) искажений полезно проводить не только при максимальных или номинальных уровнях сигнала, но и в условиях наибольшей чувствительности уха к этим искажениям, т. е. при уровне на 20 — 30 дБ ниже номинального. Кстати, в этих условиях искажения квантования приближаются к значению 0,1 — 0,3% относительно сигнала.
Измерение коэффициента детонации может быть исключено из перечня обязательных измерений для цифровых видеомагнитофонов.
Условия эксплуатации цифровых магнитофонов. Наибольшее влияние на воспроизводимый с цифрового магнитофона сигнал оказывают ошибки, вызванные выпадениями. Поэтому при эксплуатации цифровых магнитофонов следует по возможности исключить причины, вызывающие выпадения. Наиболее частой причиной выпадений (кроме дефектов ленты, которые устранить во время эксплуатации невозможно) является скопление пыли и грязи на рабочем слое ленты и на рабочей поверхности головок. Профилактическими мерами по уменьшению загрязненности ленты и головки являются:
обеспыливание помещений, в которых эксплуатируются магнитофоны и хра нится лента, путем надежной фильтрации воздуха в кондиционерах, влажной уборки в помещениях и запрещения курения в этих помещениях;
использование ленты в кассетах;
применение приспособления, очищающего ленту в тракте цифрового магнитофона;
Рассмотрены основные принципы использования ИКМ для цифровой записи звука, показаны принципы построения аппаратуры цифровой магнитной записи звука, рассмотрен принцип действия отдельных узлов, представлена область применения такой аппаратуры и изложены соображения по измерениям параметров и эксплуатации цифровых магнитофонов. Затронут широкий круг вопросов в относительно узкой области техники — цифровой звукозаписи. Именно затронут, поскольку многие из них еще требуют решений в теоретическом, инженерном и технологическом плане.
На одной из проблем хочется остановиться в заключении. Это проблема взаимозаменяемости аппаратуры и цифровых фонограмм. Ее решение связано с выбором формата сигналограммы, способа модуляции (кода канала), помехозащитных кодов и законов перемежения. Оптимальный выбор каждой из позиций связан со свойствами канала прямой записи — воспроизведения, включая ленту, и он также требует нормирования.
Многие фирмы ряда стран разработали свои модели цифровых магнитофонов и цифровых комплектов для записи звука. Серийное массовое производство этой аппаратуры еще сдерживается отсутствием единых стандартов. В настоящее время во многих странах мира ведется интенсивная работа, направленная на стандартизацию формата сигналограмм, помехозащитных кодов и законов. Такая работа ведется и в международных организациях по стандартизации — в Международной Электротехнической Комиссии (МЭК), в Международном Консультативном Комитете по Радио (МККР), в Международной Организации по Радиовещанию и Телевидению (ОИРТ). Поэтому следует ожидать, что в ближайший год-два будет разработан проект международного стандарта на цифровые магнитофоны. После этого, по мнению автора, мы станем свидетелями массового внедрения цифровой аппаратуры звукозаписи в студиях и в быту.
