磁带录象浅谈

磁带录象（即视频磁记录）是一门综合性技术，它是在录音（即音频磁记录）和电视等技术的基础上发展起来的。因此，我们就从磁记录的基本原理出发，结合视频信号的特点，简单地谈一谈录象的工作原理，同时顺便指出录象机与录音机的不同之处。

磁记录的基础是铁磁物质的剩磁特性，这是学过录音原理的人都知道的。当磁头绕组中通以信号电流（i）时，则在紧贴磁头工作缝隙运行的磁带上，留下一条条剩磁的轨迹（即磁迹）。磁迹上各点的剩磁（B\(_{r}\)）强弱和极性，由磁头缝隙间的磁场强弱和极性决定，归根结底由信号电流大小和方向所决定。换句话说，电信号是以剩磁的形式存贮在磁带上的。

对于每一条确定的磁带，如嘎吗三氧化二铁（γ-Fe\(_{2}\)O3）带或二氧化铬（CrO\(_{2}\)）带等，都有其对应的磁滞回线，因而也有一条对应的剩磁（i-Br）曲线，如图1所示。

图中，剩磁曲线的a\(_{1}\)oa段是弯曲的，会给直接记录的信号带来非线性失真。所以在录音时，一般都加偏磁，将信号移到曲线的线性区（即图中的ab和a1b\(_{1}\)段）。但是记录调频信号时，可以不考虑幅度失真，因而一般不加偏磁，下面将要谈到的，视频信号的记录正是这种情形。

磁记录是靠磁头在磁带上“扫描”实现的。输入到磁头绕组的是随时间变化的信号电流，而在磁带上留下的却是按空间分布的磁迹。这样，电信号的频率（f）便与磁迹的记录波长（λ）有着对应关系。所谓记录波长，是指被记录信号的一周期内，在磁带上留下的磁迹长度。显然，信号周期越长（或频率越低），所记录的磁迹（即记录波长）也越长；磁头在磁带上扫描的速度（简称扫描速度V）越高，则在同样周期内记录的磁迹也越长。于是可得：

这是磁记录的一个基本关系式。

录音采用的是纵向记录方式，而磁迹与走带方向一致，而且磁头固定不动，这时磁带移过的距离就是磁迹长度，故记录波长可定义为音频信号一周期内磁带移过的距离。但是如后面将要谈到的，录象采用的是横向记录方式（即磁迹与走带方向垂直）或螺旋记录方式（即磁迹与走带方向成一倾斜夹角），而且磁头按装在一个高速旋转的磁头鼓上，这时磁带移动距离与磁迹长度不再相等，于是就只能用磁迹长度来定义记录波长了。

磁记录信号的重放是记录的逆过程。磁迹上各处剩磁的磁力线通过磁头铁心，因而也穿过磁头绕组。由于磁迹上各处剩磁的强度和极性是变化的，因此只要碰头和磁带出现相对运动，那么穿过磁头的磁通通便发生变化，根据电磁感应定律，磁头绕组两端便感应出重放电动势（e）。显然，这种相对运动（即扫描）的速度越快，或者剩磁量变化越大（即记录信号的频率越高），都会使重放电动势增大。反之，若磁头、磁带相对运动速度为零（如录音机的暂停方式）或者记录直流电平，则重放输出均等于零。例如记录方波信号后，重放输出电压只是在方波前、后沿处为最大值，而在平顶期间输出为零，参看图2。

理论和实验都表明，在一定的频率范围内，信号频率（f）每增加一倍（叫增加一个倍频程），则重放电动势（e）也增加一倍（即6分贝），二者成正比例。或者说，重放输出频率特性是按每倍频程6分贝的斜率上升的。如图3所示。图中还示出了频率过高（或记录波长缩短）时，由于各种高频损失（如铁心损失、自去磁损失和间隙损失等）所造成的重放输出下降，当λ=g（g为磁头工作缝隙宽度）时，输出为零。

虽然磁带录象和录音都是在磁记录原理的基础上发展起来的，但是录象机看上去要比录音机复杂得多，大体上来说这是由于以下三方面的原因引起的。

如上所述，频率每增加一倍，即增加一个倍频程，如从频率f=50Hz算起，则由50Hz→100Hz（50×2）算增加一个倍频程，由100Hz→200Hz（100×2）又增加一个倍频程，而由50Hz→200Hz算增加两个倍频程，如此类推。音频信号的频率范围为20Hz～20kHz，约为10个倍频程，而视频信号的频率范围为25Hz～6.5MHz相当18个倍频程！

倍频程过大会带来什么问题呢？我们知道，磁带的可记录电平是有一定限度的：信号过强会导致磁饱和，过弱又会使重放的信噪比变坏。现在常用的磁带，可记录电平的下限与上限之比（叫动态范围）约为70db左右。

由于重放特性是按每倍频程6分贝上升的，那么音频信号的动态范围约为6×10=60分贝，尚可直接记录；而视频信号的动态范围则高达6×18=108分贝，远远超过了磁带可记录的动态范围！因此，要记录视频信号，就需压缩倍频程。

为了压缩倍频程，所有的录象机都对视频信号采用调频记录方式。从频谱的角度看，调频过程实际是一种频谱转移的过程。例如VO－5850P盒式录象机。同步顶对应载频为3.8MHz，而白峰电平对应的载频为5.4MHz（最大频偏为1.6MHz）。若再将上、下边带包括进去，则全部调频信号的频谱范围为0.8MHz～8.4MHz，如图4所示。可见通过频率调制以后的频带宽小于4个倍频程，适应了磁带记录动态范围的要求。

采用调频记录方式虽然大大压缩了倍频程，但是记录的频率仍然很高！由磁记录原理可知，记录频率受到扫描速度和磁头缝宽度的限制，当λ=g时，重放输出为零，即临界频率（f\(_{c}\)）：

对于录音机，带速V=19.05厘米／秒（≈20厘米／秒），g=5微米，则临界频率为

所以记录最高音频信号（＜20KHz）不成问题。

可是视频信号的频率高达数兆赫，若仍沿袭音频记录的方案就遇到了难以解决的问题。首先，将磁头缝隙宽度做小（例如g＜1微米），固然可以提高可记录频率的上限，但这一方案是有限度的。磁头缝隙过窄不仅加工困难，而且导致重放灵敏度显著下降。因此出路只能是提高扫描速度。

让我们粗略地估计一下，若取g=1微米，f=6MHz时，要求扫描速度（V）有多高？

如此高的扫描速度，若仍采用固定磁头而单纯提高走带速度，不仅走带的稳定性难以保证，而且磁带用量也大得惊人（每小时用带21.6公里长）!

为了提高扫描速度，录象机普遍采用了所谓旋转磁头方案，即仍保持较低的走带速度而让视频磁头随磁鼓高速旋转，提高磁头与磁带的相对扫描速度。例如PAL制的3／4英寸盒式录象机中，两个视频磁头安装在直径为φ=110毫米的磁头鼓上，磁头鼓以n=25转／秒的角速度旋转，而磁带仍以V\(_{t}\)＝9.53厘米／秒的速度同向运行。这样扫描速度约为V=πφn－Vt＝3.14×11×25－9.53=8.54米／秒

从而解决了记录视频信号的问题。

大家知道，记录音频信号时没有相位要求，可是记录视频信号则不然。

首先是同步问题，不仅要求各场，行同步信号记录在磁迹的规定位置上（叫记录相位），而且要求重放时，磁头扫描磁迹的速度与相位要和记录时的一致（叫磁迹跟踪）。只有这样，才能重放出稳定，清晰的图象。为此，要求录象机磁头一磁带扫描系统的机械加工精度比录音机高得多。不仅如此，磁鼓电机（磁头装在上面）及主导轴电机均应加伺服电路，（伺服电路的原理与电视机中行鉴相电路有些类似，将电机转速的取样信号送到鉴相器与基准信号相比较，并用鉴相器输出的校正电压来控制电机的转速。）以此保证磁头扫描的稳定性。

如果记录的是彩色图象信号，则对相位的要求就更严。这是因为彩色色调是由副载波相对色同步的相位确定的，如果重放色信号和记录时相比较，对于4.43MHz PAL制彩色信号来说这种相位关系若有超过5°的相位误差，就会引起可以查觉的色调失真。为了将相位误差控制在5°以内，相应地对机械加工精度提出极为苛刻的要求。事实上，由于副载波的周期T=\(\frac{1}{4.43×10}\)\(^{6}\)=0.225μs，于是5°相位误差相当于0.225;360°×5°=3.1×10-9秒（即3毫微秒）的时基误差。

这样的精度要求，甚至采用上述措施也无法满足！为此在一些将亮度信号与色度信号分开处理的录象机中，例如3／4英寸彩色盒式录象机中，采用了两个措施。

一个是用一般变频的方法将色度信号降频，如机内用一个5.119MHz的振荡器与输入的4.434MHz彩色副载波混频,而后用一个低通滤波器取出其差频0.685（5.119—4.434）MHz的色度信号。将色度信号实行降频记录，目的是降低频率失真。

另一个是减轻色度信号时基误差的措施，是在色度重放通道加时基误差校正电路。其方案如下：设重放的降频色度信号具有时基误差（缟侠械0.685MHz＋ㄕ饫鞘被蟛鸬钠德时浠浚Ｕ馐笨梢栽谄浔淦凳保贡淦敌藕胖幸簿哂型氖被蟛睿5.119MHz＋Ｓ谑蔷淦岛螅环矫婊乖錾雀痹夭ǎ笔故被蟛畹玫叫Ｕ5.119MHz＋0.685MHz＋=4.434MHz。

综上所述，我们可以将录象机的工作特点概述如下（为具体起见，仍以3/4英寸彩色盒式录象机为例）；先将要记录的视频信号进行亮度（Y）—色度（C）分离，然后将亮度信号进行调频处理，将色度信号送入变频器进行降频处理。二者再混合后送到旋转磁头，记录在磁带上形成倾斜的磁迹。

重放时，也是先将重放信号进行分离，其中已被调频的亮度信号进行解调，而对已被降频的色度信号经过变频实行频率回升，同时进行时基校正。还原后的亮、色信号也要进行混合后输出，其示意图如图5所示。

顺便指出，由于磁头与磁带扫描是在机械传动的基础上进行的，因此时基误差是磁记录设备所特有的一种误差。因此，在录象机中，除对一些关键性组件（如磁头鼓组件、压带轮和主导轴等等）的机械加工精度要求很严以外，对主导辅电机、磁头鼓电机等还需要设置伺服系统。在信号通道还需专门附加一些电路（如时基校正电路等）来改善重放时的图象质量。

所有这一切，再加上一些机械传动机构和各种功能的控制电路，就构成了目前国内流行的盒式录象机的雏形。(游泽清)