Adaptiv förspänning

Vid magnetbandsinspelning är adaptiv förspänning tekniken för att kontinuerligt variera förspänningsströmmen till ett inspelningshuvud i enlighet med nivån på högfrekventa ljudsignaler. Med adaptiv förspänning orsakar höga nivåer av högfrekventa ljudsignaler en proportionell minskning av förspänningsströmmen med användning av antingen frammatning eller företrädesvis ett styrsystem med negativ återkoppling . Jämfört med användningen av fast förspänningsström ger adaptiv förspänning en högre maximal utgångsnivå och högre dynamiskt omfång i den övre änden av det hörbara spektrumet och i mindre utsträckning mellanfrekvenser. Effekten av adaptiv förspänning är mest uttalad i kompakta kassetter och media med låg hastighet rulle-till-rulle . Den första kommersiella implementeringen, feedforward-systemet Dolby HX, utvecklades av Dolby Laboratories 1979 och förkastades av branschen. Det efterföljande negativa feedbacksystemet Dolby HX Pro utvecklades av Bang & Olufsen och marknadsfördes av Dolby och blev de facto- standarden för konsumenternas högtrohetsindustri i mitten av 1980-talet.

Fast och adaptiv förspänning

Förenklad grafisk förklaring av principen om adaptiv förspänning. De visade magnetiseringskurvorna (överst) och förspänningskontrollkurvan (botten) gäller endast vid diskantfrekvenser. De exakta värdena för brytpunkterna och lutningarna varierar med frekvensen.

Tape bias är en stark, högfrekvent, växelström som matas till ett bandinspelningshuvud tillsammans med ljudsignalen i syfte att göra den inneboende icke-linjära responsen hos de magnetiska partiklarna i bandets magnetiska beläggning mer linjär . Frekvensen för förspänningssignalen i konsumentkassettdäck är vanligtvis fixerad till mellan 80 och 100 kHz . Kvaliteten på förspänningssignalen är kritisk eftersom brus , brum och likström i förspänningen kraftigt försämrar ljudtroheten. Nivån på förspänningssignalen definierar lutningen och formen på den resulterande magnetiseringskurvan.

Den optimala biasnivån för varje bandformulering är en kompromiss mellan maximala uteffektnivåer, brus, distorsion och frekvensrespons. Nominell förspänning, motsvarande maximal känslighet och/eller maximal utsignal vid 10 kHz, är mindre önskvärd för mellanfrekvensfrekvenser. Överförspänning är bättre lämpat för mellanregister och låga frekvenser, men det minskar bandets känslighet vid högre frekvenser och försämrar signal- brusförhållandet . Som en sidofördel förbättrar optimal förspänning svaret på tape-outs eftersom starkare magnetfält tränger djupare in i den magnetiska beläggningen. Underförspänning orsakar överdriven distorsion och moduleringsbrus och ökar känsligheten för avhopp och är därför oönskad. I praktiken är tejpen alltid något för partisk; den optimala förspänningsströmmen är inställd på två eller tre decibel (dB) över det nominella värdet. Denna optimala inställning förbättrar linjäriteten vid mellanfrekvensfrekvenser men minskar det dynamiska omfånget och orsakar en minskning av högfrekvenssvaret, vilket kompenseras med förbetoning i inspelningskedjan.

Att spela in mycket låga våglängder vid bandhastigheter på 4,76 cm/s (1,87 in/s) och 9,53 cm/s (3,75 in/s) är en annan utmaning. Hörbara högfrekventa komponenter i den inspelade signalen fungerar som förspänningsströmmar, vilket resulterar i överdriven överspänning som visar sig i komprimering av dynamiskt omfång och tidigt insättande av mättnad vid höga frekvenser, särskilt vid inspelning på band av låg kvalitet med låga mättnadsnivåer. På 1970-talet innehöll inte musik som vanligtvis publicerades på vinylskivor eller sändes på FM-radio mycket högfrekvent energi och kunde vanligtvis inte driva bandet till mättnad. De digitalt mastrade , direkt-till-skiva och disco- inspelningar från det sena 1970-talet och början av 1980-talet innehåller dock ofta tillräckligt med högfrekvent information, eller "het" diskant, för att utlösa bandöverbelastning.

I slutet av 1970-talet föreslog skivindustrin tre lösningar på problemet. Metallpartikelband hade mycket höga maximala uteffektnivåer och diskantmättnadsnivåer men var oöverkomligt dyra för de flesta hemanvändare. De tidiga metallbanden hade en hög absolut nivå av väsning och det fanns farhågor att metalltejp snabbt skulle försämras men detta hände inte. Den andra lösningen utvecklades oberoende av Tandberg och Akai och förlitade sig på begränsande inspelningsnivåer. De patenterade Tandberg Dyneq- och Akai ADRS-kretsarna komprimerade signalen elektroniskt innan den kunde överbelasta bandet. 1979 föreslog Kenneth James Gundry från Dolby Laboratories det tredje alternativet; anpassning av förspänningsströmmen till diskantinnehållet i källsignalen. Ökningen av högfrekvent energi, som effektivt förspänner bandet, skulle kompenseras med en ömsesidig minskning av förspänningsgeneratorns uteffekt.

Effekten av sådan kompensation framgår av de typiska magnetiseringskurvorna. Som standard, när källsignalens diskantenergi är låg, arbetar inspelaren med en fast optimal förspänningsström I b.opt. (blå kurva). Initial överbiasing säkerställer god linjäritet men låg känslighet och låga mättnadsnivåer. Reducerat förspänningsströmvärde på I b.red. tillåter drift vid högre in- och utgångsnivåer, om än med högre känslighet (röd kurva). En väldesignad adaptivt förspänd krets måste gradvis minska förspänningsströmmen så att ökningen i känslighet kompenserar för mättnadseffekterna. Den nya, adaptiva magnetiseringskurvan förblir rak (grön streckad linje) till den maximala registreringsströmmen I af.1 . På grund av självförspänningseffekter förblir distorsionen vid mellanfrekvenserna låg och intermodulationen minskar.

Placeringen av brytpunkten I af.o på kontrollkurvan och lutningen för dess högnivåsegment beror på frekvensen av insignalen och energiförlustmekanismerna i bandet och inspelningshuvudet. Ett praktiskt adaptivt förspänningssystem måste använda heuristisk vägning över diskantfrekvenserna för att uppnå bästa prestanda hos en specifik inspelare. Effekten av förändringar i tejpformuleringar är obetydlig när det gäller järntejper . Olika band kräver olika optimala förspänningsinställningar men förspänningskontrollkurvan kan vara identisk för alla ferriband.

Dolby HX

Den ursprungliga Dolby HX (för 'Headroom eXtension') designad av Gundry för Dolby Laboratories fungerade som ett tillägg till Dolby B brusreducerande kodare. Den integrerade kretsen Dolby B (IC) extraherar enveloppen för mellanfrekvens- och diskantkomponenterna i källsignalerna och använder den för att modulera förstärkningen av dess sidokanal . HX-kretsen blandar samman enveloppsignalerna för båda stereokanalerna. Den sammansatta enveloppen modulerar utsignalen från en spänningskälla som driver den gemensamma raderings-/förspänningsgeneratorn och varierar således förspänningsströmmen. Samtidigt modulerar samma envelopp nivån av högfrekvent förbetoning av de två inspelningskanalerna. Att styra båda stereokanalerna med en enda förspänningsmodulator ansågs acceptabelt på grund av den höga graden av korrelation mellan vänster och höger stereosignaler och den dåliga kanalseparationen av de befintliga analoga källorna som är tillgängliga för konsumenten. Att kontrollera raderings- och förspänningsströmmar samtidigt kan orsaka plötsliga sänkningar i raderingens effektivitet, men detta hände bara under de mest högljudda passagerna med mycket diskantinnehåll, vilket var tillräckligt högre än eventuella kvarvarande oraderade signaler för att göra dessa ohörbara.

Oberoende tester visade att Dolby HX kunde höja mättnadsnivåerna vid 10–12 kHz med 10 dB. Enligt Dolby var förbättringen mest uttalad med högkvalitativa tejpformuleringar med hög koercitivitet . Band av dålig kvalitet svarade inte signifikant på adaptiv förspänning.

Dolby Laboratories lanserade Dolby HX på Consumer Electronics Show i juni 1979. Systemet erbjöds befintliga Dolby B-licenstagare utan extra kostnad. 1980–1981 Aiwa , Harman Kardon och TEAC Dolby HX i sina kassettdäck men inga andra tillverkare följde efter. Trots positiva recensioner var Dolby HX ett marknadsförings- och ingenjörsmisslyckande. Det testades och förkastades av ljudtekniker; medan de flesta inte avslöjade sina fynd, Willi Studer offentligt emot antagandet av Dolby HX. Enligt Studer uppvägde bristerna med Dolby HX betydligt de avsedda fördelarna. Ett pressmeddelande från 1981 från Dolby för den tyska marknaden skyllde indirekt systemets misslyckande på konservatism i branschen. Enligt Dolby ingriper Dolby HX "mycket långt in i inspelarens utveckling och kan inte bara läggas till den befintliga elektroniken. Det kräver en grundläggande omutveckling av inspelningsförstärkaren." Dolby hoppades dock fortfarande att Dolby HX skulle vinna acceptans "eftersom det möjliggör hög kvalitet med framtida mikrokassettbandspelare med en bandhastighet på 2,4 cm/s". Det sistnämnda löftet infriades inte heller.

Den största nackdelen med Dolby HX var att den, eftersom den var en feedforward-kontroll , övervakade signalen vid dess källa men ignorerade signalen som nådde inspelningshuvudet. Variationer i förstärkningen eller frekvenssvaret för registreringskedjan störde förspänningskontrollkurvan. Den justerbara förbetoningskretsen var onödigt komplex och dyr för konsumentindustrin. Dolby B-envelopedetektorn, som till sin design var ganska långsam , kunde inte spåra snabba transienter på ett tillförlitligt sätt . Att kombinera adaptiv förspänning med brusreducering på hårdvarunivå var den värsta av alla brister. Användaren kunde inte stänga av Dolby B-dekodern och fortfarande använda Dolby HX under inspelning. Detta avskräckte användningen av den mer effektiva dbx-brusreduceringen . Förstärkningen på 30 dB i signal-brusförhållandet som dbx ger gjorde Dolby HX praktiskt taget onödigt.

Dolby HX Pro

Den kompletta Dolby HX-kretsen byggd kring NEC μPC1297, tillverkad 1989. Den visade implementeringen är ett sällsynt exempel på en besvärlig HX Pro, styrd med en på/av-knapp som är tillgänglig för användaren.

1980 patenterades en alternativ implementering av adaptiv förspänning av Jørgen Selmer Jensen från Bang & Olufsen (B&O). Till skillnad från feedforward Dolby HX var B&O-kretsen ett återkopplingssystem . Enligt patentet övervakade den högfrekvensspänningen i den "heta" änden av inspelningshuvudet och extraherade den kombinerade enveloppen av bias- och diskantljudsignaler. En felförstärkare jämförde kontinuerligt enveloppen med den förinställda referensnivån och justerade förspänningsströmmen som matades till inspelningshuvudet via en resistiv optoisolator . Monokretsen var lätt skalbar för stereofonisk och flerspårsinspelning och möjliggjorde enkla justeringar av den normala biasnivån.

Enligt B&O garanterade dess system endast 3-5 dB vinst i diskantmättnad, mycket mindre än Dolby HX. B&O:s system förlitade sig inte på Dolby IC och kunde användas med eller utan något brusreduceringssystem. Negativ återkoppling kompenserade för variationer i förstärkning och frekvenssvar i inspelningskedjan, vilket eliminerade nyckelbristen med Dolby HX. Som en sidofördel var B&O-systemet också effektivt i rulle-till-rulle-inspelare.

Dolby Laboratories förvärvade rättigheterna till B&O-patentet och blev dess enda världsomspännande distributör. Det nya systemet fick namnet Dolby HX Professional, som senare förkortades till Dolby HX Pro. B&O behöll rätten att använda Dolby HX Pro i sina produkter och fick enligt källor knutna till Selmer en del av framtida licensintäkter.

Vid lanseringen riktade Dolby HX Pro på professionella marknader. I augusti 1982 introducerade industribanddupliceringstillverkaren Electro Sound HX Pro i sin kassettduplikatorkatalog. Warner Records blev det första stora skivbolaget att använda HX Pro för massduplicering. I februari 1983, enligt Dolby, hade företaget två licenstagare i hemljudsindustrin; Aiwa och Harman Kardon . De tidiga användarna var tvungna att bygga Dolby HX Pro-kretsar med generella operationsförstärkare och transkonduktansförstärkare fram till 1995 års introduktion av en dedikerad IC, NEC μPC1297. Det nya förslaget togs emot väl av industrin och 1986 blev Dolby HX Pro en standardfunktion i det övre segmentet av konsumentkassettdäck. Under de följande åren migrerade Dolby HX Pro in i konsumentsegmentet på nybörjarnivå, och blev de facto standardutrustningen inom konsumenthifi, och integrerades även i professionella rulle-till-rulle-inspelare.

Efterföljande utveckling

1983 blev adaptiv biasing populär i Sovjetunionen . Den tidigaste implementeringen, publicerad av Nikolay Sukhov, utvecklades efter Dolby HX Pro. Den blandade elementen från HX Pro (återkopplingskontroll) och Dolby HX, varierade matningsspänningen till den gemensamma raderings-/förspänningsgeneratorn och lade till skydd mot transient överbelastning, ett vanligt problem vid inspelning från slitna LP- skivor . Den reviderade designen, som använde en ny precisionslikriktare IC, publicerades 1987.

I linje med smaken hos hemljudsgemenskapen, som fortfarande föredrog rullband framför kassetter, var 1987 års version inriktad på kassettdäck och rulldäck. Adaptiv förspänning kan inte avsevärt förbättra prestandan för en kvartstums (0,64 cm) band som körs med 19,5 cm/s (7,5 tum/s) eller högre hastigheter i vanliga rulle-till-rulle-inspelare; dess mättnadsomslag är lämpligt högt för musiksignaler. Adaptiv förspänning tillåter dock en minskning av diskantutjämningen från standarden 50 μs till 10 μs. En femfaldig minskning av tidskonstanten motsvarar en femfaldig minskning av skenbart brusgolv vid mellan- och diskantfrekvenser. Enligt Sukhov möjliggör hans system ett praktiskt signal-brusförhållande på mer än 80 dB, utan brusreducering. Sukhovs design var föremål för fem patent utfärdade mellan 1984 och 1989, som alla hänvisade till det tidigare Selmer-patentet som känd teknik .

Fotnoter

Anteckningar

På engelska

På tyska

På ryska

  • Sukhov, N. (1983). "Динамическое подмагничивание" [Dynamisk förspänning]. Радио (5): 36–40.
  • Sukhov, N. (1987). "СДП-2" [SDP-2]. Радио (1): 39–42.
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Adaptive_biasing&oldid=1096440369 "