电子教案现代声像技术第三章

1、第三章 模拟音视频信号记录内容提要： 本章介绍了目前仍在应用的模拟磁性录音、录像技术，包括记录的基本原理、关键技术问题和相应解决的对策。本教材舍弃了目前已经淘汰的其他记录方式，而对磁性记录突出其基本原理和技术实现的基本方法，使它为后续的数字记录打下基础，对具体电路的分析则简略，微电子技术的发展已经把各功能电路高度集成为框图。3.1 概述 声音和图像是人类最重要的信息来源。但是自然界的这些信息会随着时间而流逝，如何把它们记录下来一直是人类所追求的事情。 1877年爱迪生发明的留声机，是用机械刻纹来记录信息的。 1889年提出的磁性录音概念，开创了磁性记录的先河。 1895年发明的电影胶片，以感光

2、材料的曝光记录图像。 光学记录的另一个分支产生于1978年的激光盘（碟）片，并很快发展为数字记录方式。和其他记录形式相比，不仅没有针音和噪声，寿命也是半永久的，多次使用图像和声音也不会劣化。这一划时代的产品迅速发展成为音视频的主要记录方法，并推向其他领域，用来记录数据和文字等。3.2 磁性录音 早期的磁性录音是采用录音钢丝作为记录体，本世纪三十年代开始使用磁带，1963年荷兰发明了盒式磁带录音机，它以结构简单，操作方便、互换性好而在家庭放声中得到迅速普及。随着微机在录音机中的应用，实现了一系列操作自动化，最近研制的脉码调制式录音和数字盒式磁带录音机使磁带录音性能几乎达到完美的程度。磁带录音性能

3、最薄弱的环节是磁带，特别是其固有噪声使放声质量受影响，已经提出的各种降噪声系统就是用来解决这个问题。 3.2.1 铁磁原理与磁滞回线 铁磁物质是由许许多多称之为磁畴的小单位组成。若这些磁畴取向杂乱无章则总体显示无磁化现象，当外加一个较大的外加磁场，则磁畴克服分子磨擦力而转向，即使以后外磁场消失，转向后的磁畴也不能转回来，便显示其磁性称为剩磁Br ，如图中H1-H2段。 要消去剩磁Br必须加反向磁场-HC，HC称为此铁磁材料的矫顽力，HC大，磁稳定性好，不容易自然退磁，有利于长期保存，如果磁场超出HC则材料迅速被反向磁化直至再次饱和，H消失后得到反方向剩磁-Br。剩磁Br越大，则记录与重放的磁、

4、电信号越大。若再加上正向磁场时磁化曲线将从-Br出发形成一个回线如图中点划线所示。其中实线称为初始磁化曲线。回线叫磁滞回线。3.2.2 磁头、磁带与机械芯1磁头 在录、放音过程中，载声体磁带在机械芯的作用下，均匀地通过磁头，记录下剩磁信号或检出感应电压。磁头按功能可分为抹音磁头、录音磁头、放音磁头，在低档盘式机和盒式机中录、放音常共用一个磁头称录放磁头。 典型的录放磁头结构如左图所示。由铁芯和前后缝隙组成磁路，当线圈通过交变电流时可在前缝处产生交变磁场，磁化通过的一小段磁带，随着磁带的运行和电流的交替，不同极性的剩磁分布到磁带不同处被记录下来如右图。放音时，当带有剩磁的磁带走过放音磁头前缝时，

5、有一部分磁通会通过磁头铁芯，在线圈内产生感应电压送往放大电路。 磁头铁芯用高导磁材料多片迭成以减少涡流损耗。常用的铁芯材料有玻莫合金、硬质玻莫合金、铁硅铝、铁氧体、非晶态等。磁头的质量很大程度上取决于铁芯材料及加工工艺。前缝d的大小与录放音最高频率有直接关系。由图可见。若前缝d等于记录波长时是不会有磁通流经铁芯的。记录波长与信号频率f和走带速度V有关：= V / f 带速越慢，频率越高，则越短。因此带速和前缝宽度限制录放频率的上限。 多迹磁头常用于自动反转放音机中同时检出磁带上四迹信号之用，或者用于测量设备、专业录音、编辑设备中，根据磁带宽度可有多达二、三十声迹的。 磁头按声迹数可分为单迹、双

6、迹或多迹，如左图。双迹磁头可用于立体声录放，经A、B两面来回走带后，留于磁带上的声迹共四道，如右图所示。单迹磁头宽度为立体声磁头两倍，可同时检出一面的R、L声道信号，达到兼容的效果。磁带由聚脂薄膜带基和上面涂布的磁性层构成，如图。磁性层中的铁磁材料主要有三种：（1）氧化铁带：为-Fe2O3粉状微粒。其灵敏度高、噪声低，应用最为广泛，又称为普通带或低噪声（LN）带，市场上绝大部分磁带属于此类。（2）铬带：为CrO2磁粉，矫顽力和剩磁均比铁带大，高频响应比铁带好，但磁粉硬度大，需要相应提高磁头材料硬度才能经得起磨损。（3）金属带：为Fe、Co等超细微粒金属合金粉，具有极高的矫顽力和剩磁，高频响应超

7、过铬带，可大幅度提高磁带的性能，当然在使用时录音机也要有相适应的磁头和电路才能充分发挥它的特性。2磁带录音机的动态阀在很大程度上决定于磁带的特性。由于磁带上磁粉是颗粒状的，形成了一个个小磁性单元，若经消磁后还带有少量剩磁，通过放音磁头时便会感应出无规则的噪声，磁粉颗粒越小，越均匀，杂质越少，则噪声也小，如果磁粉上带有很大的“直流剩磁”（直流抹音时），这些不连续磁粉提供的磁通将产生更大的噪声，磁头上带有剩磁亦与磁带上剩磁的效果相同。除掉剩磁噪声外，由于磁头、磁带的非线性，这些噪声还会调制到信号上，形成调制噪声。所有的噪声一起影响录音系统动态阀的下限。磁带上可记录的最高带磁通也是有限的，它相应的输

8、出电平决定了动态阀的上限。3机械芯 录音机的运带机构称机械芯，简称机芯。它包括下述几个部分组成：（1）主导机构：保证磁带以恒定速度通过磁头；（2）供、收带机构：提供磁带和接收卷起用过的带子；（3）制动机构：保证停机时各旋转部件迅速停止，防止带卷松驰；（4）控制机构：包括各功能自锁、互锁，防止错误操作；（5）附属装置：包括自停机构，防误抹机构，计数器等。 其中主导机构对录音性能影响最大。主导机构由主导轴、压带轮和紧固在主导轴上的飞轮组成。磁带运行靠主导轴与橡胶压轮之间的摩擦力驱动，主导轴的转速、偏心度、不圆度等都会影响带速的恒定，使重放的声音产生“抖晃” 。1抹音磁带在录音前必须把以前的声音信号

9、抹去，称作抹音。要使剩磁为零往往采用减幅交变磁场的方法，不断改变电流（磁场）极性并渐渐减为零，磁滞回线不断缩小最后归为原点，如图所示，这种方法称交流抹音。实际抹音时并不需要改变电流幅度，在抹音头上加几十千赫的交流电压，磁带离开磁头的过程中，磁场即已减幅为零。3.2.3 抹音原理与录音偏磁原理在简易盒式录音机中有时采用直流抹音法，抹音头加直流电压或用永久磁铁对磁带作饱和磁化，也可消去原先记录磁场，不过抹音后的剩磁不为零而达到最大的饱和值Br。就象要擦除纸上的字迹，可以用橡皮擦擦净（交流抹音），也可以用墨把纸全部涂满（直流抹音），同样看不到原来的字迹。但当磁带磁性材料不均匀，各处的Br不一致时，便

10、会带来噪声。2录音偏磁原理 由于磁性材料磁化曲线是弯曲的，所在用它直接记录模拟信号会产生很大的失真。解决这一问题可以用偏磁或调制法，后者在磁带录像机中使用，录音时往往用偏磁法将记录信号移到磁化曲线的线性区域。（1）交流偏磁法 最常用的是交流偏磁法。在录音电流上叠加交流电流来克服磁化曲线的弯曲。为了避免交流分量或它与音频信号的差拍被人耳听到，通常采用频率较高的超音频电流。 交流偏磁一般都配合交流抹音进行工作，在这种情况下，磁带在录音前剩磁为0。在录音过程中，设录音电流变化较慢，在每小段磁带在接近和离开录音头的过程中未发生变化，那么这段磁带所受到的磁化电流变化规律将如图所示，其中高频电流的基线代表

11、录音电流值。就象抹音磁通变化曲线一样，磁带离开录音头的剩磁决定于从峰值向下衰变的过程，而不是幅度上升的部分。因为录音电流的存在，使偏磁电流的减幅衰变不对称，磁带曲线将螺旋形进入最终的剩磁。剩磁的大小由不对称性即录音电流决定。 录音电流迭加高频电流的完整波形如左图，其中a、b、c三种情况将分别在右图的对应的a、b、c三个区间留下剩磁。（2）偏磁特性 在录音机的设计中，偏磁大小几乎决定录音系统失真、动态、频响、信噪比等全部实用指标，因此可以说录音机的设计是从偏磁开始的。右图画出了一个典型偏磁特性的曲线，曲线1、2给出了不同偏磁电流Ib下高、低频最大输出电平范围的变化。曲线3、4给出了在指定输入电平

12、条件下录音输出电压随Ib的变化，曲线5则是在315 Hz参考频率下能在磁带上录到0 db（250 nWb/m）磁平时对应的谐波失真。由图可见各曲线的最佳状态并不能同时满足，采用较大的偏磁虽然能减少失真、提高低频上动态，但由于偏磁电流同样有抹音效应，使记录波长较短的高频信号来不及离开录音头就给消去了一部分，造成高频衰减加大，动态范围也缩小；反之虽然有利于高频响应，但不利于低频与失真指标。一般情况下，信号的损失可以通过电路加以提升来“补偿”，例如当Ib选定后，曲线3、4之间的差值便是将来录音电路应当补偿的高频升量。但失真和动态阀，电路是补偿不了的。（3）最佳偏磁选择按谐波失真最小点选择偏磁是一个重

13、要的方法。IEC（国际电工技术委员会）对6.3 mm磁带盘式机偏磁将该法作为推荐采用的方法。因为迄今为止在模拟磁记录技术上，对于频响指标，无论在低电平还是高电平频响都有相应的对策。不断涌现的各种新颖优质的降噪系统对信噪比指标也能加以改善提高，但对失真这一项，除了改善磁带本身质量外，电系统即便不产生任何失真也只能达到磁带自身失真的水平，无法提高，此外盘式机本身磁带动态阀较大，所以选用谐波失真最小法决定最佳偏磁。为了对盒式磁带全频段范围内并不很大的动态阀尽可能地充分利用，应从动态阀的角度去选择偏磁，IEC将最大输出电平差值法作为盒式机偏磁优先推荐的方法。差值法选取偏磁电流Ib使得高频与低频上动态之

14、和为最大值。为达到这一目的，只要选取曲线1、2之差= 12 dB那一点，即是最佳偏磁点。不同的磁带偏磁电流Ib也有差别，生产录音机时一般按标准测试带调整，最新的录音系统能够对不同的磁带自动调整偏磁值。上述两种方法是偏磁选择的基准，但测量比较麻烦，实际使用中往往用变通的方法，目前用得较多的是“过峰值下降法”，利用6.3 KHz（曲线4）输出下降4-6 dB点作为工作偏磁，磁头样本上提供的电流Ib多为此值，也有用1KHz信号过峰值下降0.5-1 dB的偏磁电流作为工作偏磁。这些变通方法测量方便，但必须与基准方法校对，以确定它确实对应着= 12 dB处。（4）其他偏磁法根据抹音和偏磁组合方法，除掉交

15、流抹音交流偏磁外，还可有直流抹音直流偏磁法、交流抹音直流偏磁、直流抹音交流偏磁等，其主要性能分述如下：直流抹音直流偏磁原理如图，其起始点是-Br饱和点，当Ib合适可以偏磁到回线一侧的线性段，即可获得最小失真同时也是输出最大的点，容易选定。其录音效率（灵敏度）稍低于交流抹音交流偏磁方式。因为失真稍大，不失真动态阀也略低。它的最大缺点是在无信号时噪声很大，严重影响S/N。交流抹音直流偏磁原理如图，它只利用了一半的初始磁化曲线，灵敏度很低，初始曲线的两个弯曲并不对称，会带来较大的偶次失真，这种偏磁组合很少被人采用。直流抹音交流偏磁的起始处也是-Br。很明显由于左右曲线的不对称会有很大的失真，当加大偏

16、磁电流以后利用偏磁电流的抹音消磁作用可以使剩磁-Br下降不少，但大的偏磁电流带来高频响应严重损失，对于直流抹音带来的剩磁噪声似乎能通过录音头“抹音”消去一些，但毕竟不可能使-Br降为零，而且录音头前缝小，“抹音”性能不完善，因带速、磁粉的不均匀性，带与头紧贴程度的变化反有可能引起剩磁均匀性变差产生更大的噪声，仅因交流偏磁利用了正负两半周包络，灵敏度比直流直流方式稍稍提高。为了改善直流抹音交流偏磁方式的缺点，可在交流偏磁的同时引进适当的直流分量以抵销-Br，成为交、直流联合偏磁，能显著改善失真、上动态和录音灵敏度等指标，但直流抹音造成的噪声没有明显改善。因此交流抹音交流偏磁是最佳的抹音偏磁组合。

17、3.2.4 录放音损耗与频率补偿原理从电信号记录到磁带上，再到放音头从磁带上取出电信号的这个过程，其频率响应是不平坦的，有各种因素影响高、低频频响，所以必须在电路上采取相应的补偿措施。1录放音的损耗影响频响的主要原因有：（1）放音的微分效应：当具有相同带磁通的信号通过理想放音头时，其感应电压与频率成正比。使得低频输出线性下降。（2）放音磁头缝隙损耗：因为真实的磁头前缝是有一定宽度的，当前缝宽d =/2时具有最大的电压输出；f再高，输出电压不仅不可能上升，反而下降如图所示。（3）放音磁头涡流损耗。（4）录音去磁损耗。（5）录音间隙损耗。（6）自去磁损耗。（7）厚度损耗。（8）低频轮廓效应。（9）

18、其它：包括录音磁头涡流损耗、放音间隙损耗、放音方位角损耗以及高频时录音磁头阻抗太高恒流录音不能满足造成的高频下降等。 所有这些“损耗”主要都是影响高频频响，只有微分和轮廓“效应”是影响低频，使得工作频段fm内的录放音频响如图中实线所示（未考虑轮廓效应）。 2放音频率补偿 理想放音磁头在使用标准带磁通的频响测试带放音时应具有图中虚线所示，虚线与实线之差值由录音放大器进行补偿，而微分效应造成的低频损失主要由放音放大器进行补偿，其频率响应与其互补，如图所示。转折频率1对应的时间常数在盒式机只有两个选择：普通带为120s，铬带、金属带为70s，盘式机1可有不同的选择，为了避免低频端信噪比恶劣，盒式机设

19、置了第二个转折频率2 = 3180s，在录音时适当提高低频分量。 典型的放音补偿电路如图，放大器低频段增益由反馈支路R2和R3决定，高频增益由R1和R3决定，转折频率1为C2 R1的时间常数，2为C2 R2（严格地说是R1+R2）的时间常数，最高频率的补偿利用C1与磁头电感分量谐振在fm，可提升几个dB，其数值与磁头Q值有关，常见的磁头Q约2-3。3录音频率补偿 高频补偿的提升量尽管没有放音时对低频的提升量大，但是其斜率的陡峭程度远远超过6 dB/倍频程，必须设计适当的补偿电路才能满足。其转折频率fg与最大提升量Am亦要满足补偿值，可由磁头手册中查出或实测得到。 各种高频损耗主要由录音电路进行

20、补偿，这样可以提高信噪比，掩蔽一些磁带的嘶嘶声。另外盒带中还要补偿2以下低频分量，其补偿曲线如图。高频补偿电路是录音机设计的关键，必须根据所选用的磁头特性、偏磁电流的选择以及整机频响指标作仔细地研究计算和实测实验，以决定所需的提升量Am。常见的是一阶RC提升网络。由于它的提升斜率仅为6 dB/倍频程，不能满足高频提升斜率，所以这种电路的频响不会超过10 KHz。改进的方法之一是采用二阶RC补偿。 优良的录音补偿用LC提升网络。典型电路和相应的录音提升曲线如图。3.3.3 磁带录音座和磁带录音机磁带录音机种类繁多，可以按结构、功能、通路数、带卡数和磁带类型来分成各种机型。盘式录音机动态阀大噪声小

21、，音质优良，走带机构牢固，走带稳定，但价格贵难以普及。用于专业的、要求高音质的场合使用。卡式机使用的是首尾相连的循环带，可连续放音不要倒带，用于早期的汽车放音，后来被盒式带取代。盒式录音机使用统一的盒装磁带，体积小，价廉和使用方便，因此迅速普及到家庭放声，但它仍然有动态阀小，抖晃率大和带速不稳的缺点，磁带录音座不包括功率放大器和扬声器，它的走带机构以及录放音质量都很高，满足高保真系统节目源的要求，但不多见。更多的是使用磁带录音机放声。 录音机包括走带机芯、磁头、录音放大补偿电路、超音频振荡器、放音放大补偿电路、功放、电源等。根据使用需要，可以分为三磁头方式和两磁头方式。三磁头方式其录音头、放音

22、头、抹音头是独立工作的，在录音时放音头可作监听用，一些高档盒式机将三个磁头组成在同一屏蔽罩内形成组合磁头。独立工作的磁头容易按照它们各自的最佳状态进行设计生产，性能较好。三磁头方式的方框图如图 两磁头方式采用录放兼用磁头，降低了成本，但指标不及前者。方框图如图。对于立体声录音机除了通道增加一倍外，还要考虑由于磁迹增加引起灵敏度降低问题和左右通路的平衡和串扰问题，左右声道串音后会降低它们之间电平差和相位差，使声像收缩，在一些录音机中故意引进左、右信号反相串音以抵销串扰的影响称之为“立体声展宽”。录音机工作时，信号用录音放大器放大并进行频率补偿，然后迭加上合适的偏磁电流馈入录音头进行录音。为了充分

23、利用磁带的动态阀，录音放大器往往加自动电平控制（ALC）即压缩器，并装置电平指示器指示录音电平。已录上节目的磁带经放音头时，被磁头检出剩磁信号，经放音均衡放大器进行频率校正，送功放馈至扬声器放音。收录两用机增加一个AM和FM收音调谐器，其输出信号由转换开关切换到录/放音放大器输入端即构成收音，在收听的同时还可以用磁带记录电台节目。3.3 磁性录像第一台磁带录像机是1956年在美国研制出来的。60年代出现了体积较小的螺线式录像机，最后1英寸磁带的C格式广播录像机、3/4英寸的U型专业用盒式录像机和1/2英寸VHS格式的家用盒式录像机在市场竞争中站住脚，并迅速普及进入各个行业和家庭。现在录像设备已

24、成为电视中心不可缺少的设施之一，它可以即时显示录制的效果，发现不合要求可以立即重录，从而节省了大量的时间和人力财力。利用电子编辑机对节目进行修改和编辑也很方便，在这一点上光盘技术目前还没有赶上磁带。电影行业用它拍制电影片，可使生产周期大大缩短，成本也可大大下降，艺术效果可以充分发挥。录像机除了记录电视信号外，至少还应当记一路高质量的伴音信号，有的还能记录两路立体声伴音。此外，为了对节目加以解说，应记录一条插入信号；为了对节目编辑，应记录代表地址的信号；为了速度稳定，要记录一条控制信号。因此，录像机比录音机要复杂得多。磁带录像机的基本组成可分五个部分：一、磁记录部分。二、走带机构。三、伺服系统。

25、四、信号系统。五、操作控制系统。3.3.1 视频信号记录原理从原理上说，磁带录像机应与录音机基本相同，但声频信号和视频信号从其本身特性上说却很不相同，最明显的差别是二者的频率范围。声频约为20赫到20千赫，范围约10个倍频程。视频至少从25赫起，上至5-6兆赫，大约18个倍频程，如采用声频记录方法不大可能处理这样的频带宽度。1频率范围限制与对策高频响应受带速（记录波长）和磁头缝隙效应的限制，在达到最大值后突然降到零。低频响应则受微分效应影响，按6 dB/倍频程衰减。录音机在音频范围相差60 dB，进行频率补偿虽然可能，但已较困难了，视频信号范围内的频响不均度将达110 dB，用补偿法已无法解决

26、。解决的方法是将频宽5-6 MHz的信号向频谱上端搬移，使频宽不变的条件下，减少最高频率与最低频率的比值。频率搬移的方法是调制。当采用调频的方法时，使电流强度大到足以使磁带饱和，确保信号强度，而载波本身的波形失真和振幅变化都不影响解调输出，因此记录过程不会受到太多的噪声干扰。这样就不需要任何回放均衡，也避免了磁带传递特性所产生的非线性。2磁带速度问题与对策使用调频载波后，解决了电子均衡问题，但使用兆赫范围的载波，高带速和小磁头缝隙仍然是必要的。如采用录音机中的传送机构来增加带速，在短时间内就要用去大量磁带。录象机改用旋转磁头在磁带上横向或斜向记录，扫描在磁带上的磁迹如图。这样磁带运行速度并不太

27、高，但磁头和磁带的相对速度大大提高。回放时，磁头必须严格地按照原先记录在磁带上的轨迹运动，并需要在正确的时间从一个磁头转换到另一个磁头。这意味着磁头相对于磁带直线运动的扫描位置必须正确，因而必须采用伺服结构加以控制。回放时，磁带张力必须与记录时一致，如果不这样，磁迹间距受磁带变形的影响稍有变化，磁头就不能正确扫描记录磁迹。因为大气条件和微小的机械故障都能引起磁带张力的变化，为此，对录像机的磁带传送机构应进行根本性的变革和改进。 这种录像机的旋转磁头从磁带一边到另一边扫出一条磁迹。当它达到磁带底边后，要再次在磁带上记录，必须先完成回归。在回扫期间，用另一磁头扫过磁带，录下了下一条磁迹。显然从一个

28、磁头到另一个磁头需要有开关转换。3.3.2 磁带录像机的走带机构记录磁信息的两个基本部件是磁头和磁带，磁头要旋转，磁带要移动。我们这里所说的走带系统，就是使磁头和磁带做相对运动的机械系统。磁带录像机走带系统是多种多样的，它决定了磁带录像机的格式以及磁迹分布情况。1磁鼓的运动方式磁头一般很小，大的也只有几个平方毫米。为了让它做圆周半径比磁头大得多的圆周运动，就需要把它安装在一个能转动的圆鼓（磁鼓）的外缘，并且使磁头尖突出磁鼓。这样只要磁带包围磁鼓，磁头就能接触磁带，对它产生磁化作用。磁鼓有上下鼓之分，一般上鼓装有磁头，并可转动，下鼓固定不动。也有的是上、下鼓都不动，只有装有磁头的中间转盘转动。

29、磁鼓除了有安装磁头的作用外，还有支撑磁带的作用。磁带一定要经过磁头转动所形成的圆或半圆。而且磁鼓与磁带之间形成一定的倾斜角度，这就需要把磁鼓倾斜安装或把磁带的一边提高一定的量，如图所示。磁头与磁带的相对速度主要取决于磁头速度。增大磁鼓直径D和加快磁鼓转速V都可以提高磁头速度。但增大D与磁带录像机的小型化有矛盾，加快V又受电视场频的限制。所以一般还是尽量减小磁头缝隙宽度d，以使在V不太高，也不必很长的情况下也能重放出高频信号来。磁头每扫描一次磁带，它所走的路程就是一条磁迹的长度。对于单磁头磁带录像机，大约是磁鼓的圆周长C，对于双磁头磁带录像机大约是磁鼓圆周长的一半C/2。现代的磁带录像机都是采用

30、一场信号记录在一条磁迹上，这很有好处，即使在磁带不动时也能送出一个完整的画面。对于单磁头磁带录像机，磁头转一圈，扫描一条磁迹，也就是说磁头转速n应等于场频N。对于双磁头磁带录像机，磁头转半圈扫描一条磁迹，磁头转速应当是场频的一半。如果提高转速，只有场段分式，即转速大于场频。这样一场信号分几条磁迹来记录。转速高了，磁头速度可以大增，记录频率也就会提高。带来的问题是，不能用较简单的方法出静止画面和实现慢动作。这只能利用大容量存储器来解决。随着大规模集成电路的发展，这一部分造成的造价和体积问题必然也会降低。另外，场分段式会给电子编辑带来很大的困难。磁鼓是磁带录像机的关键部件，它的机械性能要求很高。首

31、先磁鼓直径直接影响磁带上磁迹的长度，因此加工精度要求严格。磁鼓的材料应采用不易变形的非导磁材料合金铝做成，其表面摩擦力应小，以免损伤磁带，但过分光滑又会使磁带吸附在磁鼓上，反而加大了阻力，因此在精加工后一般再用细金刚砂做喷砂处理，表面起伏在1s左右。2磁带的运动方式像录音机一样专门设计一个决定磁带速度的主导轴，主导轴可以就是主导电机的主轴，或者是被主导电机所带动的轴，再用一个压带轮把磁带压向主导轴。这样只要压带轮一靠紧主导轴，磁带就可以恒速前进了。一旦压带轮松开，磁带就停止前进。磁带在运动过程中所受的拉力称磁带张力。磁带除了受主导轴和压带轮所作用的向前拉力外，还受卷带盘的卷带拉力和供带盘的反向

32、拉力作用。张力大磁带延伸就长一些，因此磁带张力影响磁带的伸长变形，实际上对记录波长就会有影响，也就是对重放信号的时间基准或相位会有影响，在机械部件要采取一些措施使张力保持恒定。在高级的磁带录像机中，使用了张力伺服系统。3磁迹记录与重放在录音机中磁带只要经过磁头就行了，而在磁带录像机中，磁带除了要绕磁鼓运行，并且沿途还要经过各种各样的磁头。消磁磁头与伴音录音磁头工作方法同录音机，此处只研究录像过程。当使磁头对磁带做螺旋扫描，使磁头在磁带上扫出倾斜的磁迹来。这个倾斜角度很小，一般只有2- 4。磁迹的方向可能从上到下，也可能从下到上。这要看磁带在进入磁鼓时的高度和离开磁鼓时的高度和磁头的转动方向而定

33、。视频磁迹不能把整个的磁带全部占满，必须给音频和控制等信号留出地方，一般总是留在磁头旋转平面的两边，视频磁迹的有效利用区只占全部磁带宽的0.9左右。使用两个以上的磁头，轮流记录信号时，为了不致丢失信号，一般总是使磁头在交替过程中，有一段时间是两个磁头同时重叠记录一段时间。但在重放时，应当用电子开关准确地切换各磁头的信号，使信号既不间断又不重叠，如图所示。否则在重叠部分，信号会加倍。 在千变万化的动作中，人们往往需要看看某一瞬间的静态画面。对于电视来说就是要重复出现某一场信号，当磁带停止运动时磁头就不断扫描同一条磁迹，就会重复出现这一信号。如果这一信号证明是完整的一场信号，我们就能看到静止画面了

34、。当然只有用场不分段式磁带录像机才能做到这一点。这正是场不分段式的重要优点。对于场分段式磁带录像机，要想实现静止图像，就非用大规模存储器不可，用它把由几条磁迹代表的一场信号存起来，然后再不断地顺序读出这一场信号来实现静态画面，这种方法重复时间不受任何限制。 各条相邻的磁迹在重放时，往往磁迹的跟踪并不很准确，甚至有可能扫到两条磁迹中间的保护带上。对于没有保护带的磁带录像机就会同时拾取两条磁迹的信号，这一方面利用磁头的方位角不同，使另一条磁迹感应出的信号很小；另一方面设法使行同步信号的空间位置能对齐。这样，即使是拾取了两条磁迹的信号，同步信号也不会被打乱，而且前一行与后一行的内容往往有相关性，相差

35、不是很多，图像信号不会有大的破坏，可见如果能使行同步的位置在磁带上排列整齐，是很有好处的。 正因为带速与行频有关，所以不同电视制式的磁带录像机，其带速也有略不同。 应当精确计算。 磁带上记完一条磁迹312.5行（PAL制）以后，向前移动了一段距离L，然后再开始记录下一条磁迹。在这段L长的距离内，由图所示可知，图像磁迹移动必须是行整数加半行，才能使新场起点同步相位对齐，即（n +1/2）行。3.3.3 伺服系统从技术角度来看，声频节目中各个段落相互之间的精确位置是不重要的。而在视频中，情况就不同了。视频信号的主要特征是，必须使之出现有规则的同步脉冲，把它们记录下来，使视频信号能够按原始信号同样的

36、样式和时间关系还原。对非广播用录像机来说，要满意地录放稳定图像，只需要注意垂直间隔的定时关系就行了。为了在磁带上按规定形式记录视频信号，必须使磁头在垂直间隔（场同步）到来时，相对于磁带应具有确定的物理位置。在广播用录像机中为了编辑、切换，重放信号必须和外界信号同步，还有采用外同步方式，以达到更高的时间关系要求。这些定位和定时功能是通过伺服系统来完成的。 在磁带录像机中采用电动机和机械结构来驱动磁鼓旋转、磁带移动和收带以及磁带张力等，常见的伺服系统有（1）磁头伺服系统稳定磁头转速和相位。在磁带录像机中是极为重要的部分。（2）磁带伺服系统也叫主导轴伺服系统。目的是稳定磁带速度。这也是任何磁带录像机

37、中不可缺少的。（3）张力伺服系统使磁带张力恒定。这仅在高级磁带录像机中才有。（4）磁带盘伺服系统使磁带盘线速度均匀，从而使磁带张力恒定。1伺服原理伺服系统是利用反馈原理来完成速度或张力等物理量保持恒定值的自动控制系统。它大体有五个部件组成，其方框图如图。 （1）标准参考信号标准参考信号作为伺服对象的对照标准，这些参考信号一般是输入图像信号中场同步信号，也可以是外输入的同步信号，以及磁头测速脉冲、控制磁迹脉冲，或者录像机内部产生的一些信号，甚至是电源频率信号。（2）比较器比较器将标准信号与反馈信号进行比较，产生误差信号作为控制执行部件的信息。它可以是模拟信号比较，也可以是脉冲数字信号比较。（3）

38、执行部件常见为电动机，直流电机用改变电压的方法调速，交流电机则改变其供电频率或改变其负载量。执行部件受误差电压控制，随时保持与标准信号同频或同相。（4）传感器将被测物理量转变为电信号，以便于和标准信号比较。（5）环路滤波器滤除误差电压中脉冲分量和高频干扰。2伺服系统下面以两个常用的伺服系统来说明伺服系统的作用。（1）磁头伺服所有录像机都需要磁头伺服。记录时，由电视信号的场同步脉冲与磁鼓转速信号相比较，使磁鼓转速、相位稳定，以便于电视信号按场、行准确记录到一条条磁迹上，同时控制磁头将场同步记录到磁带上，作为重放时的测速脉冲。回放时，控制磁迹的测速脉冲提供基准信号，与磁鼓转速信号相比，使磁鼓稳定在

39、测速脉冲频率上，即和磁带速度相匹配。（2）主导轴伺服在录音机和简单的录像机中，主导轴在记录和回放时都以同样的稳定速度运动。在录像机需要剪辑时，主导轴驱动的情况完全不同，此时必须使记录在磁带上的视频和新输入的视频准确同步。要做到这一点，必须改变磁带速度，直到两个信号的场同步脉冲获得同步，然后磁带稳定在这个速度上，主导轴就必须伺服。记录时，主导轴（走带）伺服的基准脉冲也是信号中的场同步信号，原理同磁头伺服。回放时，走带的基准脉冲来自标准的50Hz振荡器或新的视频信号的场同步。而反馈脉冲是磁带上检出的测速信号，通过环路，使走带速度（测速脉冲）维持在标准值上。3.3.4 图像信号系统录像机要记录的内容

40、是图像信号和伴音信号，其中伴音信号记录原理与录音机相同，此处主要研究图像信号系统。1黑白（亮度）信号记录电路亮度信号电路的核心是调频，但除了调频之外还必须经过一些附加电路，如图所示。（1）低通滤波磁带录像机和录音机不同，不能把那些不需要的高频分量都送往磁头，因为那些不能被记录的高频分量在频率变换的环节（调频）将可能出现频谱折叠或差拍干扰混入信号中，成为无法滤除的干扰分量。一般低通可能产生相位失真，影响视频波形，需要加相位补偿器校正。（2）AGC放大视频信号过大会使FM频偏过大，造成波纹干扰，信号过小则调制太浅，重放信噪比太小，必须用AGC进行控制，类似录音机中ALC的环节，控制方法同电视机中的

41、AGC电路原理。（3）箝位FM调制时，特定的电平对应特定的频率，所以必须使视频信号电平规范，使消隐电平与基准电压对整齐。（4）预加重针对FM噪音特性，用高频预加重之法提高信噪比。不同记录系统的噪声特性不尽相同，预加重的转折频率各种机型也有所不同。（5）黑白电平削波预加重相当于微分电路，对脉冲跳变部分提升量较大，产生较大幅度的过冲，将引起FM的过调制，为了不损害图像，必须用限幅器削去这种过冲。限幅电平应调整在最大的白电平和同步头电平更大一些的位置，对正常信号不会削波。（6）调频调制器 录像机中，频率调制器的作用是减少信号的倍频程，所以它的特点是低载波，载波频率比调制信号频率高不了多少，以免频率太

42、高记录困难。另一特点是浅调制，属窄带调频，也是为了避免过大的信号频谱带宽。 实用的调制器基本上有两种，正弦波振荡器和方波振荡器，但也有公司产品用脉宽调制法的。 正弦波振荡器谐波分量少，但调制困难，相对频偏不容易做大，必须在电路结构上采用一些措施。方波振荡器产生方便，调制容易，价廉可靠，所以应用更为普遍。事实上，即使用正弦波记录，也要放大到记录在磁带上达饱和程度，其一可增加信号输出，二是削去了振幅变动，此时磁带上的信号是峰值削波严重的正弦波，更象边沿不陡峭的方波。（7）记录放大器记录放大器的作用是将调频调制器的输出放大到足够大，推动磁头产生记录磁场。所有的录像机使用的方法相同，只有细节上的差别。

43、为了使重放信号获得较高的信噪比，总希望在重放时磁头能从磁带上感应出较大的信号。因此记录电流的调节应使重放信号最大为准。初看起来，似乎记录电流越大，能获得的剩磁也越大，其实不尽然。记录电流过大，会产生磁饱和失真，尽管调频波不怕波形失真，但失真后三次谐波分量增加，基波分量未必增加甚至减少，同时记录电流大，相当于录音机中偏磁电流太大产生的去磁效应也大，实际留下的剩磁并不大，频率越高，这种效应越明显，最佳记录电流也越小。所以不应当保证各频率的记录电流都相同，而应当尽可能与各频率的最佳记录电流一致。（8）旋转变压器把电路板上的信号送到旋转的磁头上常用旋转变压器耦合法。利用磁力线把初级信号耦合到次级，让一

44、组绕组固定，另一绕组旋转，两者相近而不接触，只让磁通到达次级如图所示。为保证耦合关系不变化，磁芯必须做成圆形，旋转时才不产生截面变化，而两部分空隙应小，面要平整方可。1固定磁芯；2固定线圈；3空隙； 4旋转线圈；5旋转磁芯；6旋转轴2视频重放重放信号的处理过程如图所示。（1）预放器磁头感应出的微弱信号先经预放大器放大后然后送往后级，为了提高信噪比，预放器一般放在磁鼓内，以减少传输线引入的噪声。预放器同时也担负着磁头信号的切换任务，将不同的磁头信号切换成一个连接的视频信号。这看来是一个很简单的问题，事实上两个调频信号重迭时，相位是随机的，切换中便会产生相位跳变；磁带的伸缩也会造成两个磁头输出的行

45、同步信号相位偏移，因此双磁头录像机将切换过程置于场消隐的前段，这样，接缝的瞬态变化保证在场消隐期间结束，从而不会影响图像质量。（2）均衡放大调频信号经放大后，一方面起缓冲隔离作用，一方面可以均衡磁头输出的频率特性。这种均衡作用也可以设计在预放器中完成。（3）失落补偿随机失落的原因是多种多样的，如磁头或磁带接触不良，磁带上磁粉脱落，磁带上有污物等。如果这种失落能在视频到达输出之前被探测到，就可能产生一个开关脉冲，接通延迟的视频信号，将一根超声延迟线内储存的上一行信号代替这一行的其余部分。（4）限幅放大限幅放大不仅可以消除录放过程中引入的幅度变化，如磁头、磁带接触不稳定而造成的幅度变化，同时也可以

46、消除载频边带不对称而引起的幅度变化。（5）调频解调器录像机中频率解调器有自己的特点，一般鉴频器不适用于录像机。对于低载频、高调制频率的调频信号相应地要求录像机中的解调器具有如下特点：在很宽的频带范围内具有良好的直线性。解调器的输出要能将载频倍频，以便于滤波器将载频和调制频率分开。录像机中一般使用脉冲计数式和延迟式解调器。脉冲计数式解调器组成如图，输入调频波经整形后方成方波，微分取尖峰，全波整流起了倍频作用，低通取平均值后即可得到解调信号，因为频率高，脉冲就多，输出平均值就高，反之输出平均值就低。延迟线式解调器组成如图，延迟时间取载波周期的1/4，用乘法器对直通信号和延迟信号取“异或”逻辑。（6

47、）即时重放过程在专业录音机中，独立的重放磁头和放大器在磁带记录后几分之一秒就能检查出记录结果，从而判定磁带上的信号，确保音质。小型廉价录音机在录完后倒回来才能进行放音检查。大多数小型录像机也不具有这种即时重放过程，在录像过程中所监视到的图像只不过是待记录的电信号，而不是记录到磁带上的效果。而大型的广播录像机多数具有即时重放功能，它在记录磁头后120处，装有即时重放磁头，具有自动跟踪功能，它的输出信号送入它自己的重放放大器，从而监视磁带上实际记录的图像。3彩色记录和重放在两种记录彩色信号的方法，第一种是直接法，第二种是小型机采用的彩色下移法，也称间接彩色记录。（1）直接法把完整的彩色全电视信号加

48、到录像机的输入端，就象黑白信号一样可记录在磁带上，也完全可以象黑白信号那样解调还原，似乎没有理由不采用这种方法，但是在信号解调时会遇到一些严重的问题。第一个问题是边带问题。调频波的边带理论上是无限的，在窄带调频的情况下，尽管能量集中在第一对边带上，但色度信号的高次边带虽然小却没有到可以忽略不计的程度，它的二次边带和三次边带落入负频率成分如图所示，两个负频率成分“对折回来”实际以正频率出现，它们会产生差拍，如落在视频带宽内则无法被滤波除而产生干扰条纹。有两个办法可以避免这个问题，一是选择不会产生这种问题的载波频率，这是容易做到，但所用频率相当高，要满意地记录这些频率，必须有足够的带宽。在广播录像

49、机中磁带写入速度较高，可以采用这种方法。第二个办法是使用彩色下移法，将色度信号降频记录，小型机必须采用这种方法。第二个遇到的问题是重放时色付载波相位问题。磁带重放时各种状态不可能和记录时完全一致，比如磁带的伸长、传送时的颤抖、张力的变化、伺服的不稳定和它的校正过程、信号的噪声、图像的差拍等，这些因素很容易在黑白信号中抵销掉，但它们会改变色度信号的频率或相位，4.43 MHz付载波的周期仅0.2s左右，允许的相位误差以n s计，速度稍有不稳定，色度就会变化或者完全消失。产生这些误差的最大因素是磁带的纵向伸长，螺旋扫描磁迹几乎与磁带长度方向平行，对这种机影响就很大。广播级的录像机伺服系统可以将这种

50、不稳定校正到1s以下，这对黑白信号已足够好了，但对彩色信号来说还是太大，还要配合有效时基校正系统，小型机中则误差太大而不能应用这种直接记录法。（2）付载波下变频法小型机的磁鼓较小，磁头、磁带相对速度较低，不能容纳高的载频，又因为为了降低图像信号的倍频程，图像信号频谱已往高频端移动，1 MHz以下的频带相当干净，因此可以安全地容纳低频付载波。采用的方法是在录像机输入端把亮度信号和色度信号分开，亮度就象黑白信号那样用前面所述的方法处理；而色度用外差法将频率降到1 MHz以下，然后和调频信号混合在一起记录，如图所示。高频率大幅度的FM等幅波对色度犹如录音机中的偏磁信号，保证了色度的正常记录。重放时，

51、用滤波器从调频信号中分离出低频付载波，各自输入独立的电路，调频信号用前述方法处理，解调后产生亮度信号，色度信号外差后回升到原来的频率，加入亮度信号中形成正常的全电视信号。正是在重放时频率回升过程中，除去了彩色信号的相位误差。另外，调幅形成的色度信号不能用限幅的方法来除去记录过程中带来的幅度误差。应当采用自动色度控制的方法来稳定色度，类同于彩色电视机的ACC。3.3.5 时基误差及其校正由于在磁带录像机中，视频磁头的机械系统和决定带速的主导轴系统以及为了稳定速度而附加的各种伺服系统，都不能做得十分完美，使得重放同步定时精度比电视台同步发生器的精度差得多，这种定时误差称为时基误差。这种误差首先反映

52、到彩色付载波相位的误差上，使彩色出现失真。另外在广播电视系统中为和其他电视信号源同步，也必须加时基校正。这促使时基校正技术飞速发展，从初期的可变延迟线时基校正，发展到固定延迟线切换，又发展为数字时基校正，校正范围越来越大，剩余的误差出越来越小，才使得螺旋扫描录像机有可能进入广播领域。1时基误差产生的原因与影响录像机产生的定时误差在重放时才能看到，但在记录和重放过程中都会产生，产生定时误差的原因主要有四个：（1）磁带运动不规则，类似录音机中的抖晃。磁带速度不稳定，使同步和付载波定时关系产生误差。（2）磁头运动问题。旋转不稳定产生和上面相同的效果。正常使用中的磁头磨损所引起的另一问题是磁头尖端缩短

53、，与磁头接触的磁带小量局部伸长也会有变化，这也足以引起定时误差。（3）磁头尺寸的问题。温度、湿度使带基膨胀和收缩，录像机金属件也有少量变化，影响磁带路径，在螺旋扫描中成为主要问题。（4）歪斜误差。扫描磁头偏离磁带的一边，同一个或另一个磁头与磁带的另一边接触时产生歪斜误差。所有上面的误差都是随机的，并混杂在一起，汇集起来对图像质量的影响将有：（1）如果在一场周期内（20 ms）产生1 ms的时基误差，若只从场同步观点看，接收机还可以被同步，但相应于行周期变动3s，行同步比较困难了，这样大的变化，电视中心绝对不能允许。（2）如果在一行周期内（64s），产生1s的时基误差，行锁相环路大多还能捕捉，只

54、有些轻微跳动。但作为电视中心信号源就不能允许了。所以在电视台用的磁带录像机都用内同步方式，使时基误差降低到0.1s左右。（3）对于在非电视中心工作的黑白录像机，只要伺服精度达1s，就可正常工作。但对彩色信号，色同步信号（在消隐后肩）与色差信号（在正程）相位之间只要有几个n s的时基跳动，足以产生彩色失真，严重时使彩色无法再现，而和彩色付载波相位的绝对值关系还不太大。（4）但在电视中心，上述的相位绝对值就大有影响，当几种节目源交换，编辑和加工时，重放出来的色同步和付载波相位必须一致，即时基误差应当控制在1 n s以内。 时基误差是自录像机诞生以来阻碍它发展的最大障碍，也是设计人员千方百计攻克的难关之