Bővített mon-DAT |
A legújabb, sokat ígérő hifi-médium: az R-DAT, a szabványosított,
miniatűr kazettás digitális magnó. Két kiadással ezelőtt már írtunk
keletkezésének körülményeiről és piaci távlatairól ("Óhajtó monDAT",
Mozaik 2.), sőt, már egy tesztet is közöltünk az elsőnek forgalomba
hozott DAT-magnóról ("Excelia", Mozaik 3.), és ismertettük az új
technika lényegét. Most elmondunk mindent még egyszer, bővebben és
részletesebben, a Hi-Fi News & Record Review tavaly nyári, négyrészes
cikksorozata nyomán. Úgy véljük, hogy a szerző, John Watkinson a kellő
alapossággal, de még közérthető módon magyarázza el a DAT-technológia
lényegét. A szöveget néhol megrövidítettük, és így a cikksorozatot mi
három részletben fogjuk abszolválni. Ajánlott olvasmány ezúttal is a
Digitális forradalom, a Hifi Magazin 7. számából.
*
A vevőnek sosem volt ennyire jó dolga. A Magas Technológia nemrég
kimozdult a számítástechnika és a katonai technika birodalmából, és
beáramlott a közhasznú elektronika területére. Így jutottunk olyan
árucikkekhez, mint a CD-játszó, 8mm-es videómagnó és legújabban a
DAT-magnó.
A kompakt kazetta rövidesen már a 25 éves jubileumát ünnepli, s e
negyed század alatt folyvást fejlesztették, finomították; a benne
rejlő lehetőségeket szinte a végletekig kihasználták. Az analóg
hangrögzítés minden hibáját azonban nem javíthatták ki, mert akkor a
készülék túlságosan drága volna, és megfizethetetlenül sok szalagot
kellene használni hozzá. Elsősorban ez a meggondolás vezetett a
digitális technika kifejlesztéséhez. A professzionális technikában már
régóta készen állnak a digitális magnók, s ezeken magas minőségű
felvételeket készítenek, részben a hagyományos LP, újabban pedig a
Compact Disc számára. Ámde csak nemrégiben sikerült forgalomba hozni
olyan digitális magnókat, amelyeket az átlagember is meg tud fizetni,
és amelyeknek a szalagfogyasztásuk is csekély. Jelen cikksorozatunknak
ez a technológia képezi a tárgyát.
Miért digitális?
Ésszerű kérdés: mi az előnye a digitális kazettás magnónak az
analóggal szemben. A hagyományos (analóg) technikában a rögzíteni
kívánt, feszültségét és időbeliségét tekintve egyaránt folyamatos
jelet bizonyos analógiák szerint leképezik: a feszültséget a szalagra
felvitt mágneses térerőben fejezik ki, az időt pedig úgy, mint a jelek
távolságát a magnószalagon. Ha ezek az analógiák tökéletesek volnának,
a felvétel is tökéletes volna dehát nem az. Az első analógiának
("feszültség helyett mágnesesség") az a fő baja, hogy a mágneses
anyagok eredendően nemlineárisak, a linearitást csak előmágnesezés
alkalmazásával lehet elérni. Alacsony szalagsebességen (tehát például
a kompakt kazetta szalagján), ha a műsornak erős magasfrekvenciás
összetevői vannak, ezek járulékos előmágnesezés gyanánt jelentkeznek,
s ennek következtében csökken a magas hangok szintje. Ami pedig az
időbeli folytonosságot illeti, a szalagot sohasem lehet tökéletes
egyenletességgel továbbítani, a felvétel többé vagy kevésbé nyávogni
fog.
De vannak más hibái is a mágnesszalagnak. A mágnesezhető réteg
piciny részecskékből áll, s ezek mindegyike egy parányi impulzust ad a
lejátszó fejre. A sok parányi impulzus véletlenszerűen oszlik el, s
háttérzaj formájában jelentkezik. Ezt csak akkor lehetne kiküszöbölni,
ha a részecskék végtelenül kicsinyek lehetnének. de méretüket már csak
gyártástechnológiai okból sem lehet egy bizonyos határ alá
csökkenteni. Az analóg hangtechnikában tehát el kell fogadni ezt a
zajt; csökkenteni lehet ugyan azáltal, hogy szélesítjük a szalagot,
vagy növeljük a szalagsebességet, de ez mind pénzbe kerül. Azonkívül a
mágnesrészecskék nem tökéletesen egyenletesen oszlanak el a szalagon,
a felület sem egyenletesen sima, miáltal a jelfeszültség változni fog
az idő függvényében. Lényegében amplitúdó-moduláció lép fel, amelyet
modulációs zaj (szélső esetben: dropout, kiesés) kísér. A zajcsökkentő
elektronikák mérsékelik ugyan a zajt, de lejátszáskor tágítják a
dropoutok dinamikatartományát (!), és persze növelik a költségeket is.
1. A DAT-magnó felépítése. A hangminőség független a szalagfajtától: a
műsorjel, illetve a visszajátszott jel mindenképpen azonos
Ezeket a hibákat küszöböli ki a digitális technika. Mint az 1.
ábra mutatja, a folyamatos (analóg) bemeneti jelet mintavétellel
periodikus jellé alakítják, majd ezeket kvantálás útján számszerű
adatokkal jellemzik. A számokat a kettes számrendszerben fejezik ki,
úgyhogy a magnófelvétel műsorjele végül is csak kétféle formát ölthet:
van jel - nincs jel (1, illetve 0). Előmágnesezésre nincs szükség. Ezt
a kétállapotú felvételt lejátszáskor a magnófej impulzussorozat
gyanánt érzékeli, s annak alapján rekonstruálják a rögzített
számértékeket. Ez utóbbiakat még ellenőrzik, hogy nem hibásak-e, és a
hibákat. kijavítják. A számokat időlegesen egy memóriában tárolják,
majd egy kvarcoszcillátor által meghatározott, konstans frekvencia
ütemében olvassák ki őket, ami azt jelenti, hogy teljesen egyenletesen
helyezkednek el az időben. Egy átalakító elektronika a számokat újra
feszültség-értékben fejezi ki. A mintavételi frekvenciát ezután
kiszűrik, miáltal helyreáll az eredeti felvétel. Az egész felvételi
eljárás olyan, mintha a bemenetre egy digitális voltmérőt kapcsolnánk,
és amit mérünk, azt bizonyos jelsűrűséggel szalagra vinnénk.
Ebből érdekes következtetéseket vonhatunk le. Először is, a szalag
most már csakis számjegyeket tárol, és ha ezeket mind pontosan
játsszuk vissza, akkor lejátszáskor a hangminőség semmiben sem fog
változni ahhoz képest, mintha egyszerűen csak összekötnénk a bemenetet
a kimenettel. A digitális felvétel hangminősége lényegében véve
független a magnószalag tulajdonságaitól. Magnófelvételkor most is
fellépnek ugyanazok a kísérőjelenségek - zaj, torzítás, sávhatárolás
stb. -, csakhogy ezek mit sem számítanak. A digitális technikában
kizárólag annak van jelentősége, hogy van-e impulzus, vagy nincs. Az
eltorzított és zajos, illetve a torzítatlan és zajtalan impulzus
egyaránt azt jelenti, hogy "1". Csak egyfajta torzítás lehet
veszélyes: az, ha a jel teljes mértékben kiesik, illetve eltűnik a
zajban - vagy pedig olyan impulzus képződik, amely nem volt benne az
eredeti műsorban. Ekkor hibajel keletkezik, amellyel a hibajavító
rendszernek kell foglalkoznia.
A digitális magnót tehát a következőképpen jellemezhetjük:
a) Nyávogás - nincs
b) Áthallás - nincs
c) Modulációs zaj - nincs
d) Szalagzaj - nincs
Minőségi korlátok
Minthogy a hangminőség függetlenné válik a magnószalagtól, érdemes
felvetni a kérdést, hogy korlátozza-e bármi is a digitális
hangfelvétel minőségét. A válasz az, hogy szinte mindent az átalakítók
(konverterek) határoznak meg. A minőséget alapvetően két paraméter
korlátozza: a mintavételi frekvencia és a kvantálás (felbontás)
bitszáma, mely utóbbi azt a maximális számértéket fejezi ki, amelyet a
minták felvehetnek. Persze minden további nélkül lehet tervezni rossz
készülékeket is - másrészt a világ legjobb tervezője sem lépheti túl a
két fő paraméter szabta korlátokat.
Mintavétel és kvantálás
A mintavételi frekvencia úgyszólván magától adódik. A mintavétel
során egy egyenletes ütemben érkező impulzus-sorozat (a mintavételi
frekvencia!) amplitúdóját modulálják a műsorjellel. Az
amplitúdó-moduláció oldalsávokat is produkál, olyan szélességűeket,
mint maga az alapsáv, mégpedig a vivőfrekvencia (és többszörösei)
mindkét oldalán. A mi esetünkben a vivőfrekvencia egy impulzussorozat,
amelynek spektruma harmonikusokkal van kitöltve. A 2. ábrán
szemléltetjük a mintavétel során megjelenő jel-spektrumot: látható,
hogy az oldalsávok megismétlődnek a mintavételi frekvencia minden
harmonikusánál. Amikor tehát vissza akarunk térni a folytonos, analóg
hangképhez, egy aluláteresztő szűrőt kell közbeiktatnunk, amely csak
az alapsávot engedi át. A legmagasabb frekvencia, amelyet e szűrőnek
még át szabad eresztenie, éppen a mintavételi frekvencia fele, ugyanis
e frekvencia fölött az oldalsáv átfedésbe kerül az alapsávval, és a
szűrő ekkor már nem tudja szétválasztani őket. Ezt nevezik
aliasingnak, mely jelenség olyan, új jeleket produkál, amelyek
eredetileg nem voltak benne a műsorban. Az aliasing olyasféle
effektus, mint amikor filmvetítés közben a küllős kocsikerekeket
lassulni vagy éppenséggel visszafelé forogni látjuk. Ilyenkor a
filmfelvevőgép játssza a "mintavételező" eszköz szerepét, a küllő
pedig a műsorjel, amelynek forgási frekvenciája túl magas a
mintavételezési (=képfelvételi) frekvenciához képest. A
hangtechnikában azáltal védik ki az aliasing-hatást, hogy mára
mintavételezés előtt közbeiktatnak egy szűrőt. Mindkét szűrőre szükség
van: az antialiasing szűrőre a mintavételezés előtt, a másikra pedig
akkor, amikor vissza akarunk térni a folyamatos analóg műsorjelhez. A
két szűrő átvitele értelemszerűen azonos. (Néha ugyanazt a szűrőt
használják a magnó felvevő, illetve lejátszó egységéhez.)
2. Felül: a minták spektruma. A szűrővel előidézett karakterisztika
kötelező, különben nem lehet tökéletesen helyreállítani az eredeti
jelet. Alul: ha az alapsáv túlnyúlik a mintavételi frekvencia felén,
aliasing torzítás lép fel
A 20kHz-es audio-sávszélességhez elvben 40 kHz-es mintavételi
frekvencia is elegendő volna, de akkor a szűrőnek olyan meredeknek
kellene lennie, mint a téglafalnak. Mivel a való világ szűrői nem
ennyire meredekek, a gyakorlatban meg kell emelni a mintavételi
frekvenciát. A korszerű készülékek mintavételi "rátája" a
leggyakrabban 44.1 vagy 48kHz.
Az is világos, hány bittel, azaz mekkora számokkal cél szerű
kifejezni a mintákat. Mellőzzük az unalmas matézist; ökölszabálynak
tekinthetjük, hogy minden egyes bit 6dB-vel növeli az átvitel
dinamikatartományát. A legtöbb készülék 16 bites, a
dinamikatartományuk elvileg 96 decibel. Igen alacsony jelszinteken a
kvantálás már önmagában is előidéz egy nemkívánatos jelet. Ezt
torzítás gyanánt definiáljuk. Szerencsére, ez a torzítást teljes
mértékben átalakíthatjuk "jóindulatú" fehérzajjá egy pótlólagos
zaj-jel, a dither hozzáadásával.
Adatsűrűség
Hogy a sztereó jelet 48kHz-es mintavételezésnek és 16 bites
kvantálásnak vethessük alá, másodpercenként összesen 2x16x48000=1,536
millió bitet (adategységet) kell közvetítenünk. Ezekhez járulnak az
úgynevezett redundáns ("fölösleges", valójában a hibajavításhoz
elengedhetetlen) bitek, úgyhogy az adatsűrűségnek el kell érnie a 2
millió bit/s-ot, sőt a gyakorlatban - mint később látni fogjuk - még
ennek is a kétszeresét. Ekkora adatsűrűséget csak úgynevezett
nagysűrűségű felvételi technikával lehet elérni; e technika lényegét
egy későbbi cikkben fogjuk elmagyarázni. Az R-DAT több mint 100 millió
bitet rögzít minden négyzetcollnyi (6,25cm2)
szalagfelületen - kezdetnek nem rossz. Hiszen kommersz készülékről van
szó, olyanról, amelyet úgyszólván "a körúton fognak árusítani".
Miért forgófejes?
3. Minthogy a képjelnek folyamatosnak kell lennie, a képmagnó fejdobja
több mint félkerületén érintkezik a szalaggal
4. Az "időkompresszió" jóvoltából kisebb felületen kell felfeküdnie a
szalagnak
Mint a neve is jelzi, az R-DAT forgófejet használ, akárcsak a
képmagnó (R=Rotary, azaz forgó). A 3. ábrán a forgófej fejdobját
látjuk. A szalag egy spirál alakú "ösvényen" futja körbe, minek
következtében a fejek (kettő van belőlük - lásd majd a 4. ábrán)
átlósan egymás mellett sorakozó hangsávokat rögzítenek. Éppen, mert a
sávok szorosan egymás mellé simulnak, tökéletesen ki lehet használni a
teljes szalagfelületet, ha a fejdob minden fordulat után éppen egy
sávszélességnyivel jut tovább a szalagon. A relatív sebesség (a fej és
a szalag egymáshoz viszonyított sebessége) igen nagy, ezért még
viszonylag magas frekvenciákat is elegendően nagy amplitúdóval lehet
rögzíteni.
A képmagnók befűző-mechanikája meglehetősen komplex; a szalagot
több mint félig körbe kell tekerni a fejdobon, hogy folyamatos
képjelhez jussunk. Minthogy a digitális hangjelnek nem kell
folyamatosnak lennie, az R-DAT-ban leegyszerűsíthették a befűzés
technikáját. Az időkompressziónak ("Time Compression") az a lényege,
hogy az adatblokkok először egy tárolóba kerülnek, s onnan sokkal
nagyobb sebességgel olvassák ki, mint amilyennel beírták őket. A 4.
ábrán jól látható, hogy mivel a minták "össze vannak nyomva", a
felvételt hosszú szünetek szakítják meg. Felvételkor e szünetek alatt
a szalagnak nem kell érintkeznie a fejekkel. A szalag ezért félig sem
futja körbe a fejdobot, s ez megkönnyíti a befűzés műveletét. Az
R-DAT-ban a tipikus fejdobátmérő 30mm, a szalag 90 foknyi felületen
fekszik fel. Mivel a két fej 180 fokra van egymástól, a játékidő
felében egyik fej sem érintkezik a szalaggal. Ennek azonban az az ára,
hogy az adatsebességet meg kell duplázni, 2-ről 4 millió bit s-ra kell
növelni.
5. Az R-DAT kazetta szerkezete (leegyszerűsítve). A gumigörgő és a
szalagvezetők a fejdob és a hangtengely irányában mozdulnak el, s a
befűzés máris megtörtént.
Az angol felirat fordítása: tape cassette - kazetta, cassette lid -
kazetta fedél, magnetic tape - magnószalag, tape guide -
szalagvezető csap, drum - fejdob, rotary head - forgófej, pressure
roller - nyomógörgő, tape drive capstan - szalagtovábbító tengely
Az R-DAT befűzőmechanizmusa (5. ábra) valóban igen egyszerű.
Miközben a kazetta a helyére süllyed, a gumigörgő és a szalagvezető
csapok a szalag mögé kerülnek, majd tovább mozdulnak a szalagtovábbító
tengely és a fejdob irányában és a befűzés ezzel meg is történt.
Az R-DAT kazetta
6a-b. A DAT-kazetta kívülről: tökéletes védelem, a szalagot
tolóajtókon keresztül lehet elérni. Alsó kép: az R-DAT kazetta
robbantott rajza. Amikor a fedél kinyílik, meghúzza a féklap fülét,
kioldva az orsók reteszelését. Figyeld a kazettaablakba erősített
szenzor prizmát!
Az angol felirat fordítása (mindíg a bal felső sarokban kezdve,
lefelé, körben):
6/a: top view - felülnézet, lower shell - alsó burkotat, upper shell
felső burkolat, slider - takarólemez, lid - fedél, notches for slider
lock release - bevágások a takarólemez kioldásához, notches for slider
and stb. - bevágások a takarólemezhez és a helytelen behelyezés
megakadályozására, loading grip - betöltési horony, bottom view -
alulnézet, datum holes - dátumlyukak, slider lock 1-2. - takarólemez
reteszelése 1-2, lid lock - fedél retesz, hub holes - orsólyukak,
recognition holes - azonosító lyukak, accidental erasure prevention
hole (restorable) - véletlenszerű törlést gátló lyuk
(helyreállítható).
6/b: upper shell - felső burkolat, clear window (prism) - átlátszó
ablak prizmával, hub brake spring - orsó-retesz rugója, hub brake -
orsó-retesz, liner sheet - bélelőfólia, lid - fedél, lid spring -
fedél-rugó, hub - orsó, clamp - szalagrögzítő, leader tape -
befutószalag, liner sheet - bélelőfólia, splicing tape -
ragasztószalag, magnetic tape magnószalag, accidental erasure
prevention plug - véletlenszerü törlést gátló dugó, tapping screw -
rögzítőcsavar, slider spring - takarólemez rugója, lider -
takarólemez, lower shell - alsó burkolat
Külsejét és belsejét a 6. ábrán szemléltetjük. A DAT-kazetta
csupán 73x54x10,5 milliméteres, vagyis jóval kisebb a kompakt
kazettánál, de olyan ügyesen van kiképezve, hogy kiküszöböli amannak
legtöbb hibáját. A nyílásokat, amelyeken át a fejdob és az
orsó-meghajtó mechanika behatol, takarólapok fedik. Csak amikor a
takarólapok felnyílnak, akkor oldódnak ki a belső reteszek. A szalag
tehát mindig biztonságban van. Akárcsak a hagyományos kazettában, a
szalag itt is perem nélküli orsókon fut. A kazettatest 4 azonosító
lyukat is tartalmaz, ezekről ismeri fel a készülék, milyen kazettát
használunk. (Bölcs előrelátás! A szerk.) Nem feledkeztek meg, a
felvétel-tiltó reteszről sem: egy kis műanyag-dugó meggátolja, hogy
véletlenül beletöröljünk a szalagba. A befutószalag átlátszó, a
szalagvéget optikai rendszer érzékeli. Itt némiképp szabadkezet kapnak
a konstruktőrök: felhasználhatják a szalagon átszűrődő fényt, de akár
a visszaverődő fényt is detektálhatják, ugyanis a kazettában egy
parányi prizma van elhelyezve, s az a szalag hátoldalára vetíti a
fényt.
A nagy koercitív erejű, metálporaktívrétegű szalag 3,81mm széles:
ugyanolyan széles, mint a kompaktkazettáé, de nagyobb energiákat képes
rögzíteni. (Új típusú fejeket is kellett konstruálni hozzá, hogy
teljesen fel tudják mágnesezni!) Szabványosított vastagsága 13
mikrométer. Különös tulajdonsága, hogy áttetsző - mivel csak 3 mikron
vastag rajta a metálréteg. A kazettába körülbelül 60 méter szalag fér.
Üzemmódok
A szabványos kazettával többféle üzemmódban működhet az R-DAT
magnó - lásd az 1. táblázatban. Az egyik legfontosabb üzemmód:
48kHz-es mintavételi frekvencia, 16 bites kvantálással. A
hangjelmintákkal együtt másodpercenként 273 kilobitnyi szubkód fér a
szalagra - négyszerte több, mint a Compact Discre. A szalagsebesség
8,15mm/s, a megszakítatlan játékidő 120 perc. Minden R-DAT készülék
felvesz és lejátszik 48kHz-es mintavételezéssel, de egyes házi
használatra szánt masinák 44,1kHz-en nem készítenek felvételt a
digitális bemenetről. Ennek az a célja, hogy - védve a szerzői jogot -
megakadályozzák a CD-lemez közvetlen, digitális/digitális másolását. A
műsoros szalagokat természetesen 44,1kHz mintavételezéssel és 16 bit
kvantálással játsszák le. Bizonyos okokból azonban, amelyeket majd a
második részben világítunk meg, az előre felvett szalagot itt
12,225mm/s sebességgel futtatják, és így 80 percnyi játékidőt érnek
el, változatlan szubkód-tartalommal. A fenti két játékmód kötelező -
de vannak további lehetőségeink is.
Az 1. számú opció (lehetőség) megegyezik a kötelező üzemmóddal, de
a mintavételezési frekvencia itt 32 kHz. A 2. számú opció hosszabb
játékidőt enged meg, s e célból 32kHz-re szűkíti a mintavételt és
nem-lineáris 12 bitre a kvantálást, azonkívül felére csökkenti a
szubkód-mennyiséget is. A szalagsebesség és a fejdobok fordulatszáma
szintén a felére csökken, a játékidő eléri a 4 órát. Az összes
fentemlített üzemmód sztereó volt, a 3. számú opció viszont kvadrofon,
azaz négycsatornás. Egyebekben megfelel a 2. számú opciónak: 32kHz,
nem-lineáris 12 bit (viszont újra 8,15mm/s szalagsebesség és 273,1kbit
szubkód).
Blokkvázlat
A 7. ábrán a tipikus R-DAT magnó blokkvázlatával vezetjük be
mindazokat a fő témáinkat, amelyekről a későbbiekben írni fogunk.
Amikor felvételt akarunk készíteni, az analóg jelet az A/D átalakítóra
vezetjük. A műsorjelből képzett mintákat a gép az eredeti sorrendben
írja be a memóriába, de felvételkor már nem az eredeti sorrendben,
hanem egy bizonyos rendszer szerint összekeverve olvassa ki az
adatokat - ezt az eljárást interleaving-nek nevezik, és a csoportos
jelkiesés hatását csökkentik vele. A beírási sebességnél gyorsabban
olvasva az adatokat, "időkompressziót" végeznek. Hogy később javítani
tudják a hibákat, a műsorból hibajavító ("fölösleges") jeleket
komponálnak, s ezeket is hozzáadják az adatfolyamhoz. Megtoldják még
az úgynevezett szubkód (tájékoztató, irányító) információval, és a
párhuzamos bit-struktúrát sorossá alakítják. Ez a jel kerül a
csatorna-kódolóra, ahol is órajellel összegzik, s ekkor kapják a
felvételi jelet, az úgynevezett 10/8 kódot, amelynek bővebb
magyarázatával a cikksorozat végén szolgálunk. A felvételi erősítő
következik, ez forgó transzformátorral csatlakozik a fejekhez. A
szalagra vitt jel már bináris: csak kétféle állapota van ("igen",
"nem").
Lejátszáskor a szalagon rögzített jelek feszültséget indukálnak a
fejekben, ezekből az impulzusokból állítják helyre azt a jelalakot,
amelyet eredetileg felvittek a szalagra. A jelet a 10/8 dekóderre
vezetik, és megkapják a soros jelfolyamot, plusz külön az órajelet. A
szubkód-információt a szubkód-kimenetre juttatják, visszaállítják a
hangminták eredeti sorrendjét ("de-interleaving"), elvégzik az
"idő-expanziót" (a kompresszió fordítottját), és kiszűrik a nyávogást,
amely a szalagsebesség egyenetlenségéből eredhet. A hibajavítást
részben a de-interleaving előtt, részben utána végzik (erről többet is
fogunk még mondani a jövőben). A kijavított kimeneti minták a
Digitális/Analóg átalakítóra jutnak, s ott ezekből rekonstruálják az
eredeti, analóg jelalakot, amelyet már az erősítők is fel tudnak
dolgozni.
Hogy a fejek pontosan kövessék a keskeny műsorsávokat, felvételkor
szabályzójeleket is rögzítenek. Az automatikus sávkövető rendszer e
jelek ismeretében vezérli a fejdobot és a hangtengely motorját.
(Következő témáink: hogyan érhető el nagy információsűrűség;
miként működik a sávkövető rendszer.)