История создания цифровой записи

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ЦИФРОВОЙ ЗАПИСИ

Введение  
 
С самого своего появления перед человеком стоит извечный вопрос о том как передать накопленный опыт будущим поколениям, как сохранить все те знания и навыки, что достались ему с большим трудом?  
 
Так, вероятно, появилась наскальная живопись, затем глиняные таблички и папирус, затем заработал печатный станок. В наше время эту функцию стала выполнять магнитная запись. Но, не смотря на этот факт, поставленный выше вопрос, актуален и по сей день, ибо и в наш век, век скоростей и мгновенного доступа человек все еще не в состоянии сохранить что-либо на долгое время. Но даже если и может это сделать хоть сколько, то прилагает для этого неимоверные усилия. Поэтому известная поговорка «ничто не вечно под луной» действительна и сегодня. Единственное, что мы в состоянии сделать на данный момент – это постараться максимально увеличить срок жизни накопителя данных, будь то папка с документами, красочная акварель, написанная неизвестным художником или видеокассета с записями давно минувших лет.  
 
Эволюция цифровой записи

Известно, что для  должного хранения какого-либо носителя нужны специальные условия как  то: стабильные климатические условия, постоянная температура, отсутствие ультрафиолетового  или какого-либо другого излучения  и т.д. Например, видеокассета, которая в лучшем случае имеет максимальный срок хранения 25 лет, обязательно должна храниться в футляре в вертикальном положении. Более того, если она не используется длительное время, то ее необходимо периодически перематывать туда обратно во избежание слипания пленки. Кроме этого, магнитная запись очень чувствительна к разного рода воздействиям, таким как магнит, ультрафиолетовое излучение или высокая температура. Еще из недостатков видеопленки можно назвать такие как: возможность зажевывания видеомагнитофоном; пленка слишком тонкая и ее легко порвать или смять; перезаписываемость аналоговой информации представленной на видеопленке не бесконечная, например, после двухразовой перезаписи VHS кассеты, качество падает в 4-ре раза; как бы мы не хранили видеопленку, она обязательно размагничивается; со временем в магнитном слое появляются выпадения, отчего на видеозаписи появляется шум и полосы; пленка и считывающая видеоголовка - это трущиеся элементы, а где трение, там высокая температура и «вытирание» магнитного слоя, что отрицательно влияет на сам носитель и соответственно на данные...  
 
Этот ряд можно продолжать бесконечно, после чего естественно возникнет закономерное недоумение - а не лучше ли было бы продолжать заниматься наскальной живописью? К счастью, оказалось, что не лучше. С появлением лазерных дисков и оптической записи эта проблема решилась сама собой.  
Компакт-диск был задуман как носитель звуковой информации, однако его предшественником с большим основанием все же следует считать лазерный видеодиск системы Laser Vision, а вовсе не виниловую грампластинку. Именно в процессе развития дисковой видеозаписи была отработана технология лазерной записи информации на оптический носитель, технология изготовления самого диска и способы конструирования сервосистем таких проигрывателей.  
 
Первые работы по оптической записи информации на дисковый носитель начались в 1961 году в стенах Стэнфордского университета в США. Запись информации осуществлялась фотографическими методами в виде светлых точек и черточек на темном фоне. Воспроизведение такой записи производилось путем просвечивания видеодиска лучом ртутной лампы.  
 
В дальнейшем развитие видеодисков пошло по четырем основным направлениям.  
Первым был разработан механический способ видеозаписи в 1970 году. Способ, разработанный западногерманской фирмой TELEFUNKEN и английской фирмой DECKA, состоял в том, что видеосигнал записывался на хлорвиниловый диск диаметром 21 см и толщиной 1,2 мм в виде мелких зубчиков на стенках V-образной канавки. Воспроизведение такой записи осуществлялось, как и в обычной грамзаписи, с помощью алмазной иглы. Запись механических дисков-оригиналов производилась так же, как и запись оригиналов для аналоговых грампластинок - путем вырезания канавки на диске с лаковым покрытием. Тиражирование таких видеодисков производилось так же и на том же оборудовании, что и долгоиграющие грампластинки.  
 
Второй способ видеозаписи - емкостной - предложен в 1972 году американской фирмой RCA. Запись информации при этом способе аналогична записи механического видеодиска - с помощью резца, соединенного с пьезоэлементом. Осуществлялась она на алюминиевый диск, покрытый медью. Затем по первому оригиналу делали матрицу, а по ней из хлорвинила формировали видеодиски. Готовые видеодиски покрывались сначала тонкой металлической пленкой, а потом диэлектрическим защитным слоем. Воспроизведение такой записи заключалось в изменении электрической емкости между электродом, расположенным на кончике воспроизводящей иглы, и металлической пленкой видеодиска.  
 
Третий метод - оптический - разработан к 1972 году фирмой PHILIPS. Здесь записанный сигнал представлял собой ряд углублений на отражающей поверхности диска, покрытого алюминием. Диск изготовлялся из прозрачной пластмассы и считывание производилось сквозь всю его толщину (около 1 мм). Считывающий луч либо отражался от алюминиевого слоя, либо рассеивался на углублениях, модулируя таким образом отраженный пучок, который и использовался для формирования воспроизведенного сигнала. Аналогичная система в 1972 году была предложена фирмой МСА. А в 1973 году французская фирма THOMSON разработала видеодиск, воспроизведение которого осуществлялось не в отраженном, а в проходящем свете. Здесь луч лазера, проходя сквозь диск и расположенную внутри него дорожку, освещал четырехплощадочный фотоприемник, регистрирующий информационный сигнал и сигнал автотрекинга.  
 
Четвертый способ записи видеосигнала на диск - магнитный - разработан западногерманской фирмой BOGEN в 1973 году. Здесь для записи и воспроизведения использовался тот же принцип, что и в магнитной записи на ленту, только вместо ленты роль носителя выполнял магнитный диск с рабочим слоем на основе двуокиси хрома толщиной 12 мкм.  
 
Все способы видеозаписи были доведены до промышленного производства и в течении более или менее продолжительного периода времени занимали свое место на рынке видеоносителей.  
Первые цифровые звуковые диски, которые начали появляться с начала 1973 года, были очень похожи на предшествовавшие им видеодиски. Здесь было три направления в способах записи информации - механический, емкостный и оптический. Механический вариант предложила фирма TELEFUNKEN, емкостной - фирма NIPPON BIKUTA, а оптический - несколько фирм: PHILIPS, SONY, HITACHI, MITSUBISHI, SANYO и др.  
 
Среди оптических проигрывателей самым похожим на нынешний проигрыватель компакт-дисков был образец фирмы PHILIPS. Диаметр диска составлял 12 см (у всех других - 30 см), время звучания - один час, использовался уже разработанный к тому времени канальный код EFM (8-14) (Eight to Fourteen Modulation) и способ воспроизведения с постоянной линейной скоростью.  
В июне 1979 года между фирмами PHILIPS и SONY был заключен договор о проведении совместных работ по созданию системы оптической записи звука.  
 
В октябре 1980 года по инициативе конференции по цифровой звукозаписи была организована выставка, где демонстрировались проигрыватели всех трех систем.  
В апреле 1981 года представители 50 заинтересованных фирм на очередной конференции провели анализ положения на рынке сбыта каждой из предлагаемых систем звукозаписи.  
На следующей выставке - в октябре 1981 года - оптические проигрыватели демонстрировали уже 16 фирм, и лишь две - емкостные.  
 
Наиболее совершенной из всех оказалась система с оптическим диском, разработанная совместными усилиями SONY и PHILIPS. Небольшие размеры диска и использование полупроводникового лазера позволяли в будущем создавать малогабаритные аппараты невысокой стоимости. Кроме того, лазерный проигрыватель - единственный из всех, где считывание производится бесконтактным методом. Значит и диск, и считывающий узел при этом не изнашиваются, следовательно, и пластинка будет очень долговечной. В результате к маю 1982 года фирмами SONY и PHILIPS был подготовлен проект международного стандарта на систему оптической звукозаписи "Компакт-диск". В это же время были завершены работы по созданию необходимых полупроводниковых лазеров и специализированных БИС цифровой обработки сигнала, которые являются основными элементами проигрывателей компакт-дисков.  
 
К сентябрю того же года контракты на производство проигрывателей CD и самих компакт-дисков подписали уже 44 фирмы. В октябре 1982 года стандарт на систему "Компакт-диск" был принят на конференции подкомитета 60А МЭК (Международной Электротехнической Комиссии) и компакт-диск начал свою экспансию по рынкам планеты.  
Работы по созданию системы цифровой лазерной звукозаписи проводились и в нашей стране. В 1975 году в структуре ВНИИРПА им. А. С. Попова с этой целью была сформирована научно-исследовательская лаборатория под руководством Э. И. Вологдина.  
Лазер был закреплен неподвижно, а диск располагался на подвижной каретке. Луч лазера направлялся к поверхности диска через сложную систему оптических элементов - линз, призм и зеркал. Ошибка слежения за дорожкой отрабатывалась путем перемещения каретки с диском. Такое техническое решение спустя 15 лет было заново "изобретено" и широко разрекламировано в своих новейших моделях проигрывателей фирмой SONY как "Fixed pick Up" механизм.  
Из-за того, что лабораторные образцы всегда делаются на дискретных элементах (специализированные микросхемы появляются только после того, как полностью закончены исследования и отработана схемотехника), они получаются довольно громоздкими. "ЛУЧ-001" состоял из двух блоков. Верхний блок (тот, где диск и лазер) содержал считывающий узел и все контролирующие его работу сервосистемы. Нижний блок - это декодер вместе с системами синхронизации. Он тоже выполнен на обычных серийных микросхемах.  
 
В 1995 году за разработку следующего поколения компакт-дисков взялись десять лидеров компьютерной индустрии, среди которых: «Sony», «Panasonic», «Philips» и др. Результатом их совместных усилий стало появление диска DVD. Вначале эта аббревиатура расшифровывалась как Digital Video Disc (цифровой видеодиск), но прошло около года, когда разработчики осознали, что область применения их детища не ограничивается только лишь сферой видео и киноиндустрии, и привычная аббревиатура стала расшифровываться как Digital Versatile Disc (цифровой многофункциональный диск).  
 
Основным отличием его от CD при всех остальных сходствах является больший по сравнению с CD объем данных (в 7,2 раза), которые можно вместить на диск. В DVD – это 4,7 гигабайта против 650 мегабайт в CD. Но это еще не все. DVD диски научились делать несколько видов: однослойные, двухслойные, однослойные двухсторонние и двухслойные двусторонние. Таким образом, доведя максимальный объем одного DVD диска до 17 гигабайт.  
Летом 2000 года компания SONY анонсировала выход новых форматов DDCD и MDLP. Формат MD Long Play (MDLP) является усовершенствованным форматом MD (Mini Disc - "мини-диск"). MDLP-формат позволяет записывать информации вдвое или даже вчетверо больше, чем на обычный "мини-диск". в результате продолжительность записи становится равной примерно 5 часам 20 минутам.  
 
Формат Double Density CD (DDCD) является новым форматом компакт-дисков повышенной плотности. Разработан совместно компаниями SONY и PHILIPS. По сравнению с обычным компакт-диском DDCD позволяет хранить вдвое больше информации. Широкому распространению DDCD способствует тот факт, что для перехода на новую технологию практически не требуется создания новых производственных мощностей. Потому как значительного увеличения емкости удалось достичь "косметическими" средствами, путем незначительных модификаций обычного CD-формата.  
Новый дисковый формат подразумевает узкую дорожку и меньшую длину пита по сравнению с CD-форматом для записи одинакового количества информации. За счет этого уменьшается площадь, занимаемая информацией. В результате компакт диск стандартных геометрических размеров позволяет хранить в два раза больше информации.  
 
К достоинствам формата DDCD можно отнести усовершенствованный алгоритм коррекции ошибок (CIRC7) и расширенный формат адресного пространства (ATIP).  
Компания SONY пошла навстречу крупнейшим производителям аудио- видеопродукции и включила в спецификацию DDCD специальный механизм защиты от несанкционированного копирования, что касается остального, то формат DDCD во всем является наследником своего предшественника. DDCD представлен в трех видах: диски только для чтения (DDCD-ROM), однократно записываемые (DD-R) и перезаписываемые (DD-RW) диски.  
 
Компания TDK предложила свой формат компакт-диска высокой плотности Multilevel Recording. Технология, разработанная для TDK фирмой CALIMETRICS, позволяет увеличить объем хранимой на компакт-диске информации в три раза. Это составляет более 2 Гб. Основа технологии Multilevel Recording заключается в многоуровневом принципе записи. Как известно, на обычном компакт диске данные кодируются питами. Длина пита характеризует количество единиц двоичного кода, длина интервала между питами - количество нулей двоичного кода. Разработчики CALIMETRICS предложили использовать для записи данных не только длину питов, но и их глубину. Отраженный луч считывающего лазера в зависимости от глубины пита создает свой особый сигнал. Распознает эти сигналы специальный чипсет, встроенный в проигрыватель компакт-дисков. В результате использования глубины удается записать больше информации на единицу площади. Это позволяет значительно увеличить скорость считывания/записи данных. И действительно, скорость записи на ML-диски составляет 36х, а считывания до 90х и более. Так же, как и в случае с DDCD переход на диски ML не требует создания дополнительной производственной инфраструктуры (вполне достаточно вставить небольшую схему в обычный CD-проигрыватель, чтобы он смог поддерживать ML-диски). Это означает относительную дешевизну и доступность технологии Multilevel Recording.  
 
Настоящим прорывом в технологии записи информации следует считать разработку американской фирмой C3D трехмерного флуоресцентного дискового носителя. При этом запись осуществляется не только по площади диска (двухмерная запись), но и по его глубине на нескольких слоях. Ограничивающим фактором обычной двумерной записи является то, что её невозможно реализовать при наличии более чем двух информационных слоев. Начинают сказываться интерференция, рассеяние, шумы, перекрестные помехи, которые возникают из-за того, что падающий и отраженный пучки имеют одну и ту же длину волны и являются когерентными. При увеличении числа слоев полезный сигнал уже невозможно будет отделить от шумов. Трехмерный диск фирмы C3D использует принципиально иную технологию записи информации, основанную на свойствах излучения флуоресцентных материалов и допускает наличие очень большого числа слоев. FM-диск является абсолютно прозрачным и не имеет отражающего слоя. В основе работы флуоресцентных дисков лежит явление фотохроматизма, которое заключается в изменении физических свойств (в частности появление флуоресцентного свечения) некоторых химических веществ под воздействием лазера. Сам FM-диск представляет собой слоеный пирог, каждый слой которого является прозрачным и имеет спиральные канавки, заполненные флуоресцентным материалом. При возбуждении такого материала лазерным лучом он начинает излучать как когерентный, так и некогерентный свет. Информация записывается только некогерентным светом. При считывании возбужденный фотохром излучает свет, сдвигая спектр падающего не него излучения в сторону красного цвета на определенную величину (в пределах 30...50 нм), что позволяет легко различить сигнал лазера и свет, излучаемый материалом диска. в результате удается избежать ухудшения характеристик сигнала из-за явлений, связанных с когерентностью, и его качество при увеличении числа слоев снижается незначительно. Разработчики утверждают, что даже при количестве слоев более сотни не будет происходить сильного искажения сигнала. При считывании лазер фокусируется на определенном слое и возбуждает его флуоресцентные элементы, после чего это свечение улавливается фотодетектором. Согласно теоретическим выкладкам, при использовании синего лазера (длина волны 480 нм) становится возможным увеличение плотности записи информации до нескольких Гбайт на один FM-диск. Важная особенность формата FMD заключается в возможности параллельного считывания сразу с нескольких слоев многослойного диска. При этом, если записывать последовательность бит не вдоль дорожки, а в глубь по слоям, то можно значительно повысить скорость выборки данных. Именно за эту особенность FM-диски и прозвали трехмерными. Что касается технологии производства FMD, то здесь очень много сходства с производством обычных компакт-дисков. Из прозрачного поликарбоната отдельно изготовляются информационные слои, которые затем связываются между собой. Единственное что очень важно при производстве FM-диска, так это получение точной формы пита, так как в дальнейшем он заполняется флуоресцентным веществом. Для этих целей используется никелевая матрица (штамп).  
 
Уже сейчас ведутся активные разработки записываемых FM-дисков. Специалисты С3D предлагают два варианта принципа записи своих дисков: термический и химический. Термический принцип основан на использовании материала, изначально обладающего флуоресцентным свойством. В процессе записи участки, попадающие под термическое воздействие лазера, теряют это свойство. Химический принцип основан на использовании материала не обладающего флуоресцентным свойством. Воздействие записывающего лазера приводит к фотохимической реакции, в результате которой определенные участки наделяются флуоресцентным свойством. Для возбуждения такой реакции достаточно маломощного лазера или обычного светодиода. А лучше светодиодной матрицы: её использование позволяет осуществлять одновременную запись целого массива информации, что ускоряет сам процесс.  
 
Абсолютно реальной становится возможность создания FM-дисков, часть слоев которых предназначена для чтения, а часть слоев - для записи. В рамках технологии FMD возможно создание и перезаписываемых дисков. Для этого предусматривается использование материала, способного переходить из стабильного состояния в состояние подверженное флуоресценции и наоборот.  
 
Заключение

Внедрение нового носителя, предназначенного для  массового применения - вопрос не столько технический, сколько стратегический. Чтобы материал, записанный на таком носителе, был совместим с любым воспроизводящим аппаратом, независимо от того, где и кем он произведен, вся система должна быть стандартизована. А чтобы появился международный стандарт, его должны поддержать крупнейшие транснациональные компании. На данный момент полным ходом идет широкомасштабное внедрение DVD.  
 
Несмотря на бурный прогресс в совершенствовании дисковых носителей записи, будущее всё же не за ними. Лавры победителя достанутся совсем другому носителю, который пока ещё остается в глубокой тени, но бурно прогрессирует. Это твердотельный объемный носитель. Сейчас к этой категории носителей можно отнести устройства постоянной и оперативной памяти (ПЗУ и ОЗУ), хотя и не только их. Емкость подобных устройств уже достигла таких размеров, когда вполне реально записать часовую музыкальную программу с качеством DVD в блок постоянной памяти, имеющий очень небольшие габариты. Правда, пока это дорого. Стоимость такого носителя будет равняться стоимости нескольких десятков или даже сотен компакт-дисков. Но такие накопители уже широко используются в служебных целях - там, где их стоимость решающей роли не играет. Например, в качестве "черного ящика" для записи информации на борту самолета.  
Достоинства твердотельных накопителей очевидны. Записывающие и воспроизводящие устройства для них не нуждаются ни в какой механике. Не нужно, чтобы что-то вращалось, перемещалось, за чем-то следило. Они также не боятся ни тряски, ни ударов, ни вибраций. И размеры их, в принципе, могут быть сколь угодно малыми.

 

 

Магнитная запись информации

Рефераты / Коммуникации, связь и радиоэлектроника / Магнитная запись информации

Введение

Первые  указания на возможность регистрации  электрических сигналов на магнитном  носителе относятся к 1887 г.(П. Жанэ) – 1888 г. (О. Смит). Однако, первый действующий  аппарат для магнитной записи и воспроизведения звука был создан датским инженером Вольдемаром Поульсеном.

Аппарат был назван телеграфоном и был  запатентован в 1898 году. В качестве носителя в аппарате была

использована  стальная проволока диаметром 0.5 – 1.0 мм, намотанная на немагнитный цилиндр, диаметр которого 120 мм и длина 380 мм.

В процессе записи валик вращался и пишущая  головка скользила по виткам проволоки, намагничивая её. Стальная проволока  обладала низкой коэрцитивной силой, высокой  остаточной индукцией и большим диаметром, что позволило осуществить магнитную запись без усиления сигналов. В качестве источника сигналов использовался угольный микрофон, а при воспроизведении головка соединялась с телефоном.

Скорость  движения носителя была около 2 м/с. Основным недостатком стального носителя была большая масса на единицу времени записи (в 1908 г. на запись докладов конференции в Копенгагене в течение 14 часов было затрачено около 100 кг проволоки).

В 1925 г. И. Крейчману (СССР) и в 1928 г. Ф. Пфлеймеру (Германия) были выданы патенты на носитель в виде гибкой немагнитной ленты, на которую нанесен рабочий слой из ферромагнитного порошка.

С 1932 г. ленту начали делать из ацетилцелулезы, а рабочий  слой – из карбонильного железа.

В 1934 г. немецкая фирма «IG Farben» выпустила первую промышленную партию магнитной ленты. В это же время были созданы достаточно эффективные усилители для записи и воспроизведения сигналов и кольцевые магнитные головки.

Аппарат для записи сигналов на порошковые ленты получил название магнитофон.

Профессиональная  аппаратура магнитной записи начала использоваться в радиовещании с 40-х  годов.

50-е  годы прошлого столетия – период  интенсивного развития магнитной  записи. Начат выпуск бытовых  магнитофонов (один из первых  – катушечный магнитофон «Днепр»). С 1952 г. магнитную запись начинают применять для хранения информации в ЭВМ. С 1956 г. магнитофоны начали применять для записи телевизионных программ

С 1962 г. для хранения информации в ЭВМ  начинают использовать магнитные диски. В 1963 г фирма «Philips» разработала и выпустила компакт-кассету, появляются кассетные магнитофоны. В 1967 г. выпущен первый в СССР кассетный магнитофон «Десна».

В 1965 г. в технической лаборатории японской радиовещательной компании NHK начаты планомерные  исследования системы звукозаписи с применением импульсно-кодовой модуляции, а в 1967 г. продемонстрирован первый в мире цифровой звукозаписывающий аппарат.

В 1984 г. появился новый носитель – магнитный  диск для перпендикулярной магнитной  записи, который обеспечивает высокую (теоретически – до 20000 бит/мм) плотность записи.

Во  второй половине 80-х г.г. появляются бытовые видеомагнитофоны (первый отечественный  видеомагнитофон бытового назначения – «Электроника ВМ-12»). В 1987 г. принят стандарт на систему цифровой записи R-DAT (Digital Audio Tape) и началась продажа цифровых магнитофонов.

В это  же время благодаря совместным усилиям  фирм PHILIPS и SONY разработан стандарт оптической записи сигналов на компакт-диск (CD) и  начат выпуск соответствующей аппаратуры. Система «компакт-диск» ( а позднее и система DVD) начала вытеснять системы магнитной записи.

Однако, и сегодня на студиях радио- и  телевизионного вещания хранится огромное количество фонограмм и видеофильмов, эксплуатируется большое количество магнитофонов.

На  студиях и в быту используются видеокамеры. В вычислительных устройствах широко применяется хранение информации на жестких магнитных дисках. Поэтому в наши дни магнитная запись информации не теряет свое значение. Этому способствуют следующие свойства магнитной записи:

- магнитная  запись позволяет немедленно  воспроизвести записанный сигнал (например, для контроля качества  записи);

- обеспечивает  высокое качество записи;

- допускает  практически бесконечно большое  число повторных воспроизведений  без потери качества;

- простота эксплуатации аппаратуры;

- возможность  монтажа фонограмм;

- возможность  тиражирования;

- возможность  длительного хранения;

- самая  низкая стоимость производства  записи.

К недостаткам  магнитной записи можно отнести:

- наличие  искажений за счет копирэффекта;

- относительно  небольшой срок службы магнитных  головок из-за абразивного действия  носителя;

- возможность  ухудшения качества и, даже, полного  уничтожения записи при воздействии  внешних магнитных полей, резких  изменений температуры или механических воздействий.

1. Основы магнитной записи

Магнитная запись электрических сигналов основана на способности некоторых ферромагнитных материалов намагничиваться под  действием внешнего магнитного поля и сохранять приобретенную намагниченность  практически бесконечно долго. Материалы, обладающие таким свойством, называют магнитно-жесткими.

Процесс записи осуществляется следующим образом. Намагничивающее поле создаётся  электромагнитом, по обмотке которого протекает ток, изменяющийся во времени  по закону записываемого сигнала. Этот электромагнит является пишущим элементом, его называют записывающей головкой.

Конструкция головки такова, что её магнитное  поле имеет минимальную протяженность  в пространстве при необходимой  величине напряженности магнитного поля Н.

В магнитном поле головки равномерно движется носитель – магнитная лента, диск или проволока. В каждый момент времени на участок носителя, находящийся в магнитном поле головки, действует магнитное поле, напряженность которого пропорциональна мгновенному значению тока в обмотке головки.

После выхода этого участка носителя из магнитного поля головки, участок сохраняет  намагниченность, пропорциональную величине мгновенного значения тока. Так образуется магнитная сигналограмма.

При воспроизведении  магнитная сигналограмма равномерно протягивается мимо электромагнита, который называют воспроизводящей головкой. Каждый участок намагниченного носителя создаёт в сердечнике воспроизводящей головки магнитный поток.

При движении носителя магнитный поток изменяется и его изменения создают в обмотке э.д.с., которая воспроизводит закон изменения записанного на носитель сигнала.

Рассмотрим  теперь более детально процессы, происходящие при магнитной записи и воспроизведении  информации. Прежде всего напомним некоторые понятия и уравнения физики, относящиеся к разделу «Магнитное поле».

2. Основные сведения о магнитных  явлениях

Магнитное поле возникает при движении электрических  зарядов. В микроскопическом смысле оно существует как результат  движения электронов и других заряженных частиц.

Макроскопическое  магнитное поле создаётся токами в проводниках или намагниченными материалами.

Магнитное поле в вакууме описывают векторами  магнитной индукции  и напряженности магнитного поля  , которые связаны между собой соотношением:

 

,  (1)

где  - вектор магнитной индукции в Вб/м2 (Тл),

 - вектор напряженности  магнитного поля в А/м,

5 src="images/referats/6952/image006.png">Гн/м – магнитная постоянная.

Для описания магнитных полей в магнитных материалах вводят ещё вектор намагниченности  , который измеряют в А/м. Тогда:

(2)

Намагниченность  можно представить как:

, (3)

где  - остаточная намагниченность,

 - магнитная восприимчивость.

С учетом (1.3) выражение (1.2) можно переписать так:

, (4)

где  - относительная магнитная проницаемость среды.

Произведение  называют абсолютной магнитной проницаемостью среды. В общем случае магнитная восприимчивость  и, следовательно,  и  не являются постоянными величинами, а зависят от напряженности магнитного поля  , т.е. зависимость  и  от  - нелинейная. Графики зависимости  называют кривыми намагничивания материала. Примерный вид кривых намагничивания показан на рис. 1.

Размагниченный  материал намагничивается по кривой 1, которую называют кривой начального намагничивания. При увеличении напряженности намагничивающего поля намагниченность  приближается к значению  -намагниченности насыщения.

Если  теперь уменьшать напряженность  магнитного поля  , то намагниченность материала будет изменяться по кривой 2. При значении напряженности поля  намагниченность материала будет отличаться от 0. Это значение намагниченности материала называют остаточной намагниченностью и обозначают  .

Чтобы уменьшить намагниченность материала  до нуля, необходимо приложить магнитное поле обратного знака - . Численное значение напряженности  называют коэрцитивной силой.

При дальнейшем изменении напряженности поля в  сторону её уменьшения намагниченность  материала стремтся к значению - . Теперь начать увеличивать напряженность магнитного поля  , то изменение намагниченности будет следовать кривой 3.

Кривая  намагничивания образует петлю, которую  называют предельной петлей гистерезиса  материала. Если материал не намагничивать  до насыщения, то кривые намагничивания образуют петли, располагающиеся внутри предельной петли гистерезиса.

Имея  зависимость  нетрудно построить график зависимости  , используя для этого выражение (4).

Рисунок 1

Закон Босанквета (закон Ома для магнитной  цепи)

Пусть на кольцевом сердечнике, имеющем  воздушный зазор δ, намотана катушка, содержащая w витков провода, по которым  течет постоянный ток силой I. Определим магнитный поток в сердечнике, создаваемый этим током (см. рис. 2).

Для этого  воспользуемся первым уравнением Максвелла  в интегральной форме (законом полного  тока):

.

Проведем  контур интегрирования L так, чтобы  он совпал с одной из силовых линий вектора напряженности магнитного поля  . Тогда:

w

, (5)

т.к.  , то  .

Подставим значение  , найденное из этого равенства в выражение (5):

В этих выражениях l – длина силовой

линии в сердечнике, µr - относительная

магнитная проницаемость сердечника,

- напряженность магнитного поля  в сердечнике,  - напряженность магнитного поля в зазоре сердечника. Из последнего выражения находим  :

(6)

Зная напряженность  магнитного поля в сердечнике, можно  определить магнитную индукцию :

и магнитный поток:

, (7)

где S – площадь  поперечного сечения сердечника.

Выражение (7) по структуре  напоминает выражение закона Ома :

,

где е  – электродвижущая сила,  - сопротивление,  - сила тока. По аналогии выражение (1.7) называют «законом Ома для магнитной цепи» или законом Босанквета. Произведение  называют магнитодвижущей силой, а величину - магнитным сопротивлением участка магнитной цепи длиной  и площадью сечения  .

3. Явление саморазмагничивания

Магнитное поле намагниченного тела существует во внешнем по отношению к телу пространства только в том случае, если имеется неоднородность или  разрыв линий вектора намагниченности  . Это легко проверить экспериментально.

Например, у равномерно намагниченного тороида магнитное поле не обн

аруживается, но если в тороиде сделать разрез (щель), то поле проявится. Суть этого  явления легко понять, если вспомнить, что магнитное поле намагниченного тела создаётся микротоками, которые можно заменить элементарными магнитиками.

Полюсы  этих магнитиков условно можно рассматривать  как магнитные заряды. В любом  элементарном объёме однородно намагниченного тела присутствует равное количество северных и южных полюсов (зарядов) этих магнитиков, так что суммарный магнитный заряд объёма равен нулю и магнитное поле отсутствует.

Если  теперь в однородно намагниченном  теле прорезать щель, то к одной  грани щели окажутся выдвинуты северные, а к другой грани – южные  полюсы элементарных магнитиков (см. рис. 3). Эти грани оказываются как бы заряженными зарядами разного знака, которые создадут магнитное поле как в щели, так и в самом теле.

Рисунок 3

Как следует  из рисунка 3, поле наведенных зарядов  и намагничивающее внешнее поле в щели имеют одинаковое направление, т.е. напряженность суммарного поля в щели увеличивается.

Внутри  намагничиваемого тела поле наведенных зарядов и внешнее намагничивающее  поле направлены встречно, т.е. внутри тела напряженность суммарного поля уменьшается.

Это явление  вытекает и из формулы (6). Если ширина зазора δ≠0, то напряженность поля в сердечнике  меньше, чем при отсутствии зазора. Напряженность магнитного поля, создаваемого условными магнитными зарядами, будем называть напряженностью поля саморазмагничивания  , а эффект возникновения этого поля – эффектом саморазмагничивания

Таким образом, величину напряженности суммарного поля в среде  можно записать как:

,

где  - коэффициент саморазмагничивания.

Если  в намагниченном теле  и  постоянны, то и  ( тело однородно намагничено), если не постоянны, то теряет смысл. Однородное намагничивание можно реализовать в телах, имеющих форму тороида или эллипсоида вращения.

Это –  практически важные случаи: форма  магнитопровода головок магнитофонов близка к тороидальной, частицы магнитного порошка магнитных лент или дисков имеют форму, близкую к эллипсоиду.

Для эллипсоида с отношением осей 1 : 8 коэффициент  саморазмагничивания при намагничивании вдоль большой оси равен 0.026, а  вдоль малых осей – 0.487. Вообще:

.

Тогда для шара  .

 

Магнитная запись

Магнитная запись. Магнитные носители информации

Технология  записи информации на магнитные носители появилась сравнительно недавно  — примерно в середине 20-го века (40-ые - 50-ые годы). Но уже несколько  десятилетий спустя — 60-ые - 70-ые годы — это технология стала очень распространенной во всём мире.

Очень давно появилась  на свет первая грампластинка. Которая  использовалась в качестве носителя различных звуковых данных — на неё записывали различные музыкальные  мелодии, речь человека, песни.

Сама технология записи на пластинки была довольно простой. При помощи специального аппарата в специальном мягком материале, виниле, делались засечки, ямки, полоски. И из этого получалась пластинка, которую можно было прослушать при помощи специального аппарата — патефона или проигрывателя. Патефон состоял из: механизма, вращающего пластинку вокруг своей оси, иглы и трубки.

Приводился  в действие механизм, вращающий пластинку, и ставилась игла на пластинку. Игла плавно плыла по канавкам, прорубленным в пластинке, издавая при этом различные звуки — в зависимости от глубины канавки, её ширины, наклона и.т.д., используя явление резонанса. А после труба, находившаяся около самой иголки, усиливала звук, “высекаемый” иголкой. (рис. 1)

Почти такая же система и используется в современных (да и использовалась раньше тоже) устройствах считывания магнитной записи. Функции составных частей остались прежними, только поменялись сами составные части — вместо виниловых пластинок теперь используются ленты с напылённым на них сверху слоем магнитных частиц; а вместо иголки — специальное считывающее устройство. А трубка, усиливающая звук, исчезла совсем, и на её место пришли динамики, использующие уже более новую технологию воспроизведения и усиления звуковых колебаний. А в некоторых отраслях, в которых применяются магнитные носители (например, в компьютерах) пропала необходимость использования таких трубок.

Магнитная лента состоит из полоски плотного вещества, на которую напыляется слой ферромагнетиков. Именно на этот слой “запоминается” информация.

Процесс записи также похож на процесс  записи на виниловые пластинки —  при помощи магнитной индукционной вместо специального аппарата.

На  головку подаётся ток, который приводит в действие магнит. Запись звука  на плёнку происходит благодаря действию электромагнита на плёнку. Магнитное поле магнита меняется в такт со звуковыми колебаниями, и благодаря этому маленькие магнитные частички (домены) начинают менять своё местоположение на поверхности плёнки в определённом порядке, в зависимости от воздействия на них магнитного поля, создаваемого электромагнитом.

А при  воспроизведении записи наблюдается  процесс обратный записи: намагниченная  лента возбуждает в магнитной  головке электрические сигналы, которые после усиления поступают  дальше в динамик. (рис. 2)

Данные, используемые в компьютерной технике, записываются на магнитные носители таким же образом, с той разницей, что для данных нужно меньше места  на плёнке, чем для звука. Просто вся информация, записываемая на магнитный  носитель в компьютерах, записывается в двоичной системе — если при чтении с носителя головка “чувствует” нахождение под собой домена, то это означает, что значение данной частички данных равно “1”, если не “чувствует”, то значение — “0”. А дальше уже система компьютера преобразует данные, записанные в двоичной системе, в более понятную для человека систему.

Сейчас  в мире присутствует множество различных  типов магнитных носителей: дискеты  для компьютеров, аудио- и видеокассеты, бобинные ленты, жёсткие диски внутри компьютеров и.т.д.

Но  постепенно открываются новые законы физики, и вместе с ними — новые возможности записи информации. Уже несколько десятилетий назад появилось множество носителей информации, базирующихся на новой технологии — считывания информации при помощи линз и лазерного луча. Но все равно технология магнитной записи просуществует ещё довольно долго из-за своего удобства в использовании. 
 
Читать полностью:http://www.km.ru/referats/8DFA241B884D4D8E83C05EC286F2A747

 

 

 

Внешняя  память 

 

Внешняя (долговременная) память – это место хранения данных, не используемых в данный момент в  памяти компьютера. Внешние накопители имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания.

Внешняя память дешевле внутренней, создаваемой обычно на основе полупроводников. Кроме того, большинство устройств внешней памяти может переноситься с одного компьютера на другой. Главный их недостаток в том, что они работают медленнее устройств внутренней памяти. 

 

Традиционно системы  хранения можно разделить на следующие  три класса:

1.      Быстрые системы с произвольным доступом. Это "жесткие диски" Имеют небольшое время доступа и самую высокую удельную стоимость хранения.

2. Относительно медленные системы с последовательным доступом. Это отдельно стоящие приводы магнитных лент, библиотеки магнитных лент. Обладают наибольшим временем доступа, наибольшей емкостью и наименьшей удельной стоимостью хранения данных. Используются также в системах иерархического хранения данных.
3. Системы с произвольным доступом, которые по емкости, стоимости, скорости занимают промежуточное положение. Это системы, построенные на базе магнитооптики, DVD и CD (R, RW) технологий. В настоящее время используются для организации небольших архивов и промежуточного хранения, в системах иерархического хранения данных.

 

 

Носители на магнитных дисках 

 

 

 Самым распространенным устройством внешней  памяти на современных компьютерах  стали накопители на магнитных дисках (НМД) или дисководы.

Дисковод – устройство для записи и чтения информации на магнитный диск .

Дисководы подразделяются на:

-         гибкие магнитные диски (ГМД) или просто дискеты;

-         жесткий магнитный диск (ЖМД) или по-другому винчестер. 

 

Информация на любой  магнитный диск записывается вдоль  концентрических окружностей, называемыхдорожками. Число дорожек зависит от типа диска. Дорожки обозначаются номерами, начиная с нулевой дорожки на внешней стороне диска. Окружность дорожки, в свою очередь, разделяется насекторы. Обычно на рабочей стороне диска размещаются  80 дорожек, 20 секторов.

Количество секторов на дорожке определяется типом диска  и его форматом.  Все секторы на одном диске имеют фиксированный размер. Персональные компьютеры могут работать с разными размерами секторов – от 128 до 1024. Стандартом является 512 байт.

Вся работа по считыванию и записи данных на дисках производится только полными секторами. Секторы  дорожки, как и сами дорожки на каждой стороне диска, обозначаются присвоенными им номерами, начиная не с нуля, а с единицы (нулевой сектор отводится для целей идентификации, а не для хранения данных).

Имеется еще одно измерение  диска – это число его сторон. Информация может быть записана на обеих сторонах дискеты или только на одной ее стороне. В то время как дискета имеет только две стороны, жесткий диск состоит из нескольких круглых пластин, таким образом, у него имеется больше, чем две стороны. Стороны диска тоже пронумерованы, начиная с нулевого номера для первой стороны.

Дорожки с одинаковыми  номерами на различных поверхностях диска (в общем случае пакета диска) образуют цилиндр.  Доступ к данным, записанным в одном цилиндре, осуществляется без перемещения магнитных головок, т.к. в накопителе вращается сам диск – головки вдоль дорожек не перемещаются. 
         Интересно знать, что дискета вращается только при доступе к ней.В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно.

Сочетание всех этих измерений  дает нам емкость (размер памяти) диска.

V = N * D * S

, где N - число сторон  диска;          D - число дорожек на одной стороне;          S - число секторов на одной дорожке.

Дискета одного и того же вида может иметь разный формат.

Процедура разметки МД на дорожки и сектора называется форматированием диска.

Гибкие магнитные  диски (ГМД)

Дискета или гибкий диск – это компактное низкоскоростное  малой ёмкое средство хранения и  переноса информации. 

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, не используемую постоянно на компьютере, делать архивные копии программных продуктов, содержащихся на жестком диске.

ГМД делаются из очень мягкого и гибкого материала, миларового пластика с магниточувствительным покрытием из окиси железа. Кстати, немногие знают о том, что первая (рабочая) сторона односторонней дискеты, находится на нижней стороне дискеты, а не на верхней, где расположена наклейка.

ГМД бывают двух видов:

-         5,25-дюймовые;

-         3,5-дюймовые

В компьютерах последних лет выпуска чаще стали использовать накопители для дискет размером 3,5 дюйма (89 мм) и емкостью 0,7 и 1,44 Мбайт. Переход на их использование  был в первую очередь связан с бурным развитием портативных компьютеров, в которых нельзя было использовать прежние накопители из-за больших размеров последних.