Устройство анализа результата воспроизведения с носителя магнитной записи Советский патент 1992 года по МПК G11B27/36 

Изобретение относится к области накопления информации и может быть исполь- зованодляосуществления

последовательного спектрального анализа сигнала, воспроизведенного с магнитного носителя записи.

Известно устройство для анализа результата воспроизведения с носителя магнитной записи, содержащее блок магнитной записи-воспроизведения (МЗВ) с каналами записи-воспроизведения информационного и опорного шумоподобного (псевдослучайного)сигнала, генератор которого подключен ко входу канала МЗВ опорного сигнала. Устройство также содержит управляющий генератор пилообразного направления (ГПН), первый выход которого соединен со включенными последовательно первым генератором сигнала с линейной частотой модуляции (ЛЧМ), первым смесителем, сигнальный вход которого соединен с выходом канала воспроизведения опорного ШП сигнала, первым полосовым фильтром (ПФ) и ограничителем амплитуды, ко второму выходу ГПН подключены соединенные последовательно второй генератор ЛЧМ сигнала, второй смеситель, соединенный вторым входом с выходом канала воспроизведения информационного сигнала, и второй ПФ, а также третий смеситель, соединенный одним входом с выходом второго ПФ, вторым входом - с выходом ограничителя амплитуды, а выходом - через третий ПФ - с выходом устройства.

Недостаток этого устройства состоит в большом времени анализа в диапазоне частот тракта МЗВ,

Известно устройство анализа результата воспроизведения с носителя магнитной записи, содержащее соединенные последевательно ГПН/перестраиваемый по частоте гетеродин с ЛЧМ, канал опорного сигнала блока магнитной записи-воспроигt едения, первый смеситель, управляющий вход которого соединен с выходом гетеродина с фиксированной частотой, и ограничитель амплитуды, соединенные последовательно второй смеситель, сигнальный вход которого соединен с выходом канала записи-воспроизведения информационного сигнала, третий смеситель, управляющий вход которого соединен с выходом ограничителя амплитуды, а выход через ПФ - с выходом устройства.

Недостаток этого устройства состоит в увеличении времени анализа и снижении его точности с расширением спектра воспроизведенного сигнала.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному устройству является устройство анализа результата воспроизведения с носителя магнитной записи, содержащее соединенные последовательно управляющий ГПН, управляемый гетеродин с ЛЧМ, канал МЗВ опорного сигнала и ограничитель амплитуды, соединен- ные последовательно гетеродин с фиксированной частотой, первый и второг смесители, и ПФ, сигнальный вход первого смесителя соединен с выходом канала МЗВ информационного сигнала, управляющий вход второго смесителя соединен с выходом ограничителя амплитуды, а выход ПФ - с выходом устройства.

Недостаток этого устройства состоит в увеличении времени и снижении точности анализа воспроизведенного сигнала с возрастанием диапазона его частот.

Целью изобретения является ускорение и повышение точности анализа воспроизведенного сигнала с возрастанием диапазона его частот.

Эта цель достигается тем, ч го в известное устройство, содержащее последовательно соединенные управляемый по частоте гетеродин, канал опорного сигнала блока магнитной записи-воспроизведения и ограничитель амплитуды, соединенные последовательно гетеродин с фиксированной частотой, первый смеситель, второй смеситель и полосовой фильтр, выход которого является выходом устройства, сигнальный вход первого смесителя соединен с выходом канала информационного сигнала блока магнитной записи-воспроизведения, управляющий вход второго смесителя соединен с выходом ограничителя амплитуды, введены последовательно соединенные счетчик периодов опорного сигнала и формирователь ступенчатого управляющего на0

пряжения, включенные между выходом и управляющим входом управляемого по частоте гетеродина.

Ниже приводится сравнительный анализ особенностей работы предложенного устройства и его прототипа.

Время анализа спектра сигнала в последовательном анализаторе спектра в известной монографии (см. 1 Харкевич А,А. Спектры и анализ - М.: Физматгиз, 1962, с. 145) определяется по формуле

f rFm

ft сул, ,,

)

а

л

ii

где fi и а - постоянные величины, зависящие от полосы пропускания анализирующего ПФ, а также от скорости перестройки Vr частоты ЙА- (t) гетеродина;

FN N Af, Fo m Л f- верхняя и нижняя частоты;

l-rn - число анализируемых полос;

Та пТо - время анализа в каждой полосе частот Af;

п 15-20 - число периодов То нижней частоты спектра сигнала FO, необходимое для формирования амплитудного спектра сигнала.

Формулу (1) можно также представить в следующем виде

(K -yrOn (.M-mln

) f

F0

Из зтих формул следует, что с возрастанием диапазона частот A F и сужении полосы if время анализа возрастает существенно. Причина этого состоит в том, что при линейной или ступенчатой перестройке частоты ЛЧМ сигнала (фиг.2а) обрабатывается избыточная информация. Так,

например, если за первый отрезок времени Та укладывается п 20 периодов Т0 нижней составляющей спектра сигнала Fo, то в конце диапазона анализируемых частот за то же время То будет укладываться rv n(Nm) n периодов верхней составляющей спектра сигнала. При этом, для всех полос с номерами i-m 2 избыточность числа периодов возрастает, но является бесполезной. В предложенном устройстве используется другой закон изменения частоты перестраиваемого гетеродина (фиг.2б), при котором число периодов для всех составляющих спектра опорного сигнала остается постоянным при возрастании частоты fi

1/TI. Тогда закон изменения времени анализа можно записать в следующем виде , NN i и , М t rn и

-г- -г f11 1

т ,

Сумма гармонического ряда в (2), начиная с N 2, достаточно точно аппроксимируется выражением (2 Градштейн И.Е., Рыжик И,М, Таблицы интегралов, сумм рядов и подразделений - М; - Наука, 1971. N° 0136, 1100с)

Zf°,,

а при N 10 числом 1/2 N можно пренебречь, так, как ошибка от этого составляет менее 2%. Тогда выражение (2) примет вид

Тд -г Cn - Ta En - fl йЈ т а F

а выигрыш во времени анализа равен

Тд N-vn N о

Гг° FO

и возрастает с увеличением диапазона анализируемых частот FN-FO,

Так как время анализа (2) изменяется по закону натурального логарифма, то частота гетеродина будет изменяться по экспоненциальному закону (ЭЧМ)

f(t) (4)

Определяя а при t ТА , получаем

F (Тд )РМ РС/ГЛ

a-lln

ТА - FO

Таким образом, использование в предложенном устройстве ЭЧМ гетеродина позволяет существенно сократить время анализа спектра сигнала, по сравнению с прототипом. При этом частота гетеродина может изменяться как по непрерывному, так и по ступенчатому законам.

Рассмотрим особенности компенсации ПУМ при использовании ЛЧМ и ЭЧМ опорных сигналов и прямой аналоговой записи информационного сигнала. Выражение для гармонического воспроизведенного сигнала с частотой QC , при гармоническом законе КС, используя метод замены аргумента, можно представить в следующем виде

4 -4. A cosfQeCi -Ј„М - Аи R е ,.-CnWTJ.

ООоо

AmS здрпА Г J.l(inB)sLfovrS«+paBett ej,

Гг-оэр.-ся Г

tn( ,,

nsssn&

где Гп (t) - паразитное временное смещение текущих значений воспроизведенного сигнала, вызванное влиянием КС носителя записи;

Ос t-rn (t) - текущая фаза этого сигнала; РЗ иуОв , Ј2пз и Опв - коэффициенты и частоты КСЗ и КСВ;

/Зпз ,ДпИ- индексы ПУМ; 2сРз пг Рпб:

0

5

пв

(,

&Q

пе

где Ашпз . Awne паразитная девиация частоты;

I г (/5пз), р (j&m)- функция Бесселя первого рода, порядка г,р.

Мгновенная частота сигнала (5) равна

,л i A (.Л (tl

Ho-un(t)J -Ј

ЯС-Я,

.Ј„().

0

5

0

5

0

5

0

5

Динамический диапазон анализа относительно боковых составляющх спектра ПУМ информационного сигнала равен

0 ЗоСрпз130((гп6) Г р1

При больших индексах ПУМ /Sn 2-5 величина D оказывается не только малой, но и отрицательной для верхних частот. Это означает, что уровень боковых составляющих спектра ПУМ превосходит уровень сигнальной составляющей спектра, При этом возникают существенные ошибки в определении частоты и амплитуды составляющих спектра информационного сигнала.

В прототипе ЛЧМ сигнал используется как для анализа спектра, так и для компенсации его ПУМ. Рассмотрим особенности компенсации ПУМ в прототипе.

Мгновенная частота, фаза и сам ЛЧМ сигнал имеют следующий вид, см, например, книгу Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы - Изд.третье, М.Сов.радио 1977, с.107-110): (t) -(DOT г +$-t2/2 ;

г ,(8)

Ur(t)(t),

где р,-

Дшд 2лгДтд

V г - скорость

ТАТА

перестройки частоты гетеродина;

Aft)д , Лтд- девиация частоты;

ТА - время анализа.

Используя метод замены аргуме а и подставив в (8) выражение для паразитного временного гп (t) смещения из (6), получаем выражение для фазы воспроизведенного ЛЧМ сигнала, с учетом его ПУМ

((t)coori rt2/24«or+M W

ас2-г-5 Лп +

$гРъ

9.Я

2 5ttt Z

пе

пв°

где последними двумя членами можно пренебречь как величинами второго порядка малости относительно величины о коэффициента КС.

Тогда получаем

(t)

Uort +/ r/2t2(Wor +/3rt)Tn(t).(9)

Мгновенная частота этого ЛЧМ сигнала равна

rHn(tl(Uor+((o3

(VPs

or + /VtKr

(tlS2

5m f2

ПЗ

пз

t----- sinQpot Jine

ne

+ rVtbKr rt)tn(t).

Из сравнения выражений (10) и (6) видно, что воспроизведенный опорный ЛЧМ сигнал имеет дополнительную ПУМ с паразитной девиацией частоты и индексом

даъп {Зср/&п , ЛДп -Д-р/On. (11)

Эта ПУМ вызвана совместным влиянием КС и скорости перестройки частоты опорного ЛЧМ сигнала. Выбором параметре анализа величину Д Ашд/Тд можно получить достаточно малой, а дополнительной ПУМ в прототипе пренебречь.

Тогда для всех равночастотных составляющих спектра информационного и опорного сигналов

Ј2с -cDor -i-Д t паразитная девиация частоты одинакова

О: ГП (t) ((Dor + Д t) ГП (t) , (12)

что обеспечивает эффективную компенсацию ПУМ воспроизведенного информационного сигнала в нижней боковой полосе частот второго смесителя, где мгновенные частоты входных сигналов вычитаются. Динамический диапазон анализа при этом определяется аналогично (7), но вместо Дт индексов ПУМ подставляются остаточные ЛДп индексы ПУМ из (11), что обеспечивает динамический диапазон анализа D 60 дБ, вполне приемлемый для аппаратов МЗВ,

Для рассмотрения компенсации ПУМ в заявляемом устройстве путем использования опорного ЭЧМ сигнала, упростим несколько выражение (4), представив экспоненту степенным рядом

21П 1 2I + пТ

Тогда, используя только три первые члены ряда, получаем, что мгновенная частота и фаза ЭЧМ - сигнала равны

i/л- (t) УОГ (1 + ai + a212/2),

У(1)Рот(1 +a2/2t2 +a3/6t3), (13) где первые два члена имеют вид, сходный с мгновенной частотой и фазой (8) ЛЧМ сигнала, но при отличающихся параметрах а и/3.

Исходя из этого, анализ особеннностей использования ЭЧМ сигнала для компенсации ПУМ удобнее проводить, аппроксимируя ЭЧМ сигнал последовательностью ЛЧМ сигналов, отличающихся длительностью, величиной скорости перестройки частоты гетеродина, но имеющих одинаковое число периодов п для всех частот. Если при этом число ЛЧМ сигналов выбрать равным числу N-m анализируемых полос, то такая алпроксимация является вполне достаточной, так как в реальных условиях число полос N-m 1. Однако при непрерывной экспоненциальной перестройке частоты гетеродина время анализа в каждой из частотных полос убывает с возрастанием частоты, так как скорость ее перестройки возрастает, а индексы дополнительной ПУМ могут возрастать до величины для низкочастотных КС. При этом динамический диапазон анализа

сокращается согласно (7) до +4 дБ. Отсюда следует, что использование опорного ЭЧМ сигнала с непрерывной перестройкой частоты для компенсации ПУМ ограничено. Этот недостаток гложно устранить, используя

опорный ЭЧМ сигнал со ступенчатой перестройкой частоты (фиг.2б). Этот сигнал эквивалентен сетке частот с частотным интервалом At, содержит постоянное число периодов п каждой из дискретных частот

и соответственно уменьшающуюся длительность ступенек со временем. Перестройка частоты осуществляется скачком в дискретные моменты времени, определяемые управляющим ступенчатым напряжением.

Основное свойство ступенчатого ЭЧМ сигнала, позволяющее использовать его з качестве опорного сигнала для компенсации ПУМ в заявляемом устройс зе состоит о том, что каждая из дискретных частот в

интервале своего существования Т|-Тм постоянна, скорость ее изменения V,- 0, а дополниельный индекс ПУМ согласно (11) также равен нулю, т.е. ЛДп 0. При этом опорный сигнал не вносит дополнительный

ПУМ при перемножении с информационным сигналом, это повышает диапазон и точность спектрального анализа воспроизведенного сигнала, по сравнению с прототипом, где дополнительный индекс ПУМ (11} существует.

Тогда компенсацию ПУМ и последовательный спектральным анчлмз воспроизве денного гиг нэп а можно поясни , следующим гбраз м Воспро /зседенный ипфоома1исн ыи гишал и его мгновенно о частта р inw

),

Ј,Ut| -Qc-Qcp cosset1°

Ib

Сигнал и его мгновенная частота на пыходр первого смог чтеля равны

Unp. Scp,45inflnt) .

C0opl 4V COr bwnprQcpcC at.

Воспроизведенный спорны 1 с частотой ед- - QC.H ею мгновенная частота 20 равны

(tO-cos(Qnt-% b,

ЧНпШ

Qpt

-Qr,-S2r;pcos

На выходе второго смесителя в его нижней боковой полосе частот, гдем новен- ная частоты входных сигнатов вычитаются получаем

пр2Ш CGpJt tn(t)))np2(t),

прг

.

Сигналы второй разностной громежу точной частоты, на которые перенесена ам- плитуда и фаза составляющих спектра информационного сигнала свободные от ПУМ выделяются последовательно в течение временя анализа полосовым анализирующим фильтром и поступают на выход устройства 8 выражениях (14-17), для сокращения записи влияния КС при записи и воспроизведении объединено

Приведенные выше соотношения позволяют оценивать параметры анализа спектра з прототипе и предложенном устройстве

Так, например для современных магнитофонов звукового диапазона частот предложенное устройство позволив осуществить последовательный анализ спектра воспроизведенного сигнала, с полосой анализирующего фильтра Af 20 Гц за время анализа ТА 15-20 с, что на два порядка меньше, чем в прототипе При этом динамический диапазон анализа обоих устройств D - 6 дБ, относительно боковых составляющих спектра ПУМ, что не хуже динамического диапазона современных

°

b

0

5

0

5 0

5

0 5

магнитофонов отнеси 1етм,г q no с шума.

Структурная схема заявляемого устрой -r up 1йеле - а нл ie,.,T ° г

угро ство гглео 1 т го°г г едоззте ьн v мпи i rt п теоод1м 1 выход -оторО1п с..с его

ПрЯ8ЛЯЮН И ОПО. 4i Г , i С t ЫО

послеаовател но. e 2 v/; 5 t -п-ч- п г°оиодоч опоосого сиг.-апа v тель 3 ступенчатого пртзл ICMI г i inr жен IP кгчзл опор ого сп г с ч РГ« записи-воспрп л вс еч ,ль sfn амплитуды 5 гсэд ч -енр -э пг лс овг ci

пО ГетОрОДМЦ 6 С - ИКСИОРБпНЮЙ

первый 7 и втооой 8 смгс тс i и попгс сзой Фильтр 9 выход сторож явпоет( п s. устооистра сигчзль ь.Г т 2 TeijBv o с Vs сителя 7 ее единен с оычо/;сг. канала 1 си-в ос произведен и я ин форм зщ. иного сигнала бпс з л управляющий вход чторог 1 смесителя 8 соединен с вь xoдo ограничи теля амплитуды 5

На фиг а пунктиром показана 1- мость частоты опорного от времени з прототипе, а а че ступенчатое изменениз ч ПЧМ гигнапз диапазон пеоостюйки чэсто ы Д F - Fxi Fo полоса пропускания Д f анапизирую1Чгго ПФ и время анализа в ней Та nTi ri joe врет я анализа ТА а закон чз тг ечия o(t) мгновзннс ч с DTU

Из фиг 26 приселены эьгю и мые ха рактерист ки дпя ттой лерсстройчи иастоты ЭЧМ гетеродина, а также непрерывное изменение астоть Ч сигнала (пунктир)

Работа устройства осуиегтвпяст-- следующим образом

Информационный аналогоь - й и ступенчатый опорный э споненциэгьнк й сигнал записываются одновременно ча оазлч ных дорожках носителя записи В сходном состоянии перес- 03/вчрмый по част оте гетеродин генерирует коп тну я ной иастоты , котоозя запись с канале опорного сигнала v од опоепг-и о число ее периодов подсчить-ргстсч с ° su- ком 2 Ког,га это число пэрчодоо дк . ,HIH г заданного напримео г 20 сметчик мирует импульс который из чч т VD. Р Ю ступенчатогс управпяюи- его ьтпп чет. ча выходе блока 3 сЬармироЕате- .1 .зс j гетеооцича 1 ма величину Af потось- щ тг.у сканич анзпизипующего ПФ. Зз воемч аиз лиза Тд происходи N-m скачк в частоты опорного cm чал - в дчэг язоье ччгтот Л Fc При этом число периодов BJ гсех ралио-ш- пульсах опорного Сигнал ос постоя ным, их несущая частота возрастает скачком, период их и длительность уменьшаются, как отмечалось ранее, по закону натурального логарифма. Средняя частота радиоимпульсов опорного сигнала при этом изменяется по экспоненциальному закону (пунктир на фиг.26). Воспроизведенный опорный сигнал ограничивается по амплитуде в блоке 5, для устранения паразитной амплитудной модуляции.

Информационный и опорный сигнал имеют одинаковые диапазоны частот A Fc A Fr, а их равночастотные составляющие спектра имеют одинаковую ПУМ, т.е. одинаковые индексы ПУМ и одинаковую паразитную девиацию частоты. Гетеродин 6 с фиксированной частотой и первый смеситель 7 предназначены для разделения диапазона частот информационного и опорного сигналов путем переноса спектра информационного сигнала в более высокую область частот первого гетеродина 6, частота которого выбирается примерно в три раза выше верхней частоты информационного и опорного сигналов fri 3FN 3FrB. Для этого информационный воспроизведенный блоком 4 сигнал поступает на сигнальный вход первого смесителя 7, на второй вход которого поступает сигнал первого гетеродина 6 с фиксированной частотой. В результате преобразования частоты в первом смесителе 7 образуются нижняя и верхняя боковые полосы частот. Сигнал с выхода первого смесителя 7, который можно записать в виде сигналов первой промежуточной частоты поступают на сигнальный вход второго смесителя 8, на управляющий вход которого поступает воспроизведенный опорный ЭЧМ сигнал с выхода ограничителя амплитуды 5. В результате преобразования частоты входных сигналов во втором смесителе 8, в его нижней боковой полосе частот, где мгновенные частоты входных сигналов вычитаются происходит компенсация ПУМ составляющих спектра информационного

сигнала, равночастотных последовательности дискретных составляющих спектра опорного ступенчатого ЭЧМ сигнала. При этом составляющие спектра информационного сигнала, свободные от ПУМ и перенесенные на вторую разностную промежуточную частоту выделяются анализирующим полосовым фильтром 9 последовательно в течение времени анализа и

поступают на выход устройства. Одновременно с подсчетом числа периодов п в течение длительности ступеней nTi счетчик 2 также подсчитывает число ступеней перестройки гетеродина 1 и, когда их число оказывается равным заданному числу N-m, счетчик 2, формирователь 3 и гетеродин 1 возвращаются в исходное состояние, а затем начинается новый цикл анализа.

Фор мула изобретения

Устройство анализа результата воспроизведения с носителя магнитной записи, содержащее последовательно соединенные управляемый по частоте гетеродин, канал

опорного сигнала блока магнитной записи- воспроизведения и ограничитель амплитуды, последовательно соединенные гетеродин с фиксированной частотй, первый смеситель, второй смеситель и полосовой фильтр, выход которого является выходом устройства, при этом сигнальный вход первого смесителя соединен с выходом канала информационного сигнала блока магнитной записи-воспроизведения, а

управляющий вход второго смесителя подключен к выходу ограничителя амплитуды, отличающееся тем, что, с целью ускорения и повышения точности анализа воспроизведенного сигнала с возрастанием

диапазона его частот, в него введены последовательно соединенные счетчик периодов сигнала и формирователь ступенчатого напряжения, включенные между выходом и управляющим входом управляемого по частоте гетеродина.

М|

l

У/

ч/ ОС/

„

Устройство анализа результата ооспро- изведеиия с носителя магнитной записи относится к области накопления информации, Целью изобретения является ускорение и повышение точности анализа воспроизведенного сигнала с возрастанием диапазона его частот. Устройство содержит 1 управляемый по частоте гетеродин (1), 1 счетчик (2), 1 формирователь (3) ступенчатого управляющего напряжения, 1 блок (4) ззписи-восп- роизведения, 1 ограничитель (5) амплитуды, 1 гетеродин (6) с фиксированной частотой, 2 смесителя (7,8), 1 полосовой фильтр (9). 6-7- 8-9, 4-7, 4-5-8, 1-2-3-1. 1-4. 2 мл.

/-/у/

/

/

JU

Н Тег j л

Фи/. /

«;

/)-- А

ТЙ -- ГА -/ ;