DE1524821A1

DE1524821A1 - Verfahren zum digitalen Aufnehmen von Daten auf Tonbaender mit hoher Dichte und hoher Frequenz

Info

Publication number: DE1524821A1
Application number: DE1967C0043078
Authority: DE
Inventors: Gillard Paul O'neill
Original assignee: Commonwealth of Australia
Current assignee: Commonwealth of Australia
Priority date: 1967-08-04
Filing date: 1967-08-10
Publication date: 1971-01-28
Also published as: DE1524821B2; AU415174B1; US3701134A; GB1177774A

Description

"Verfahren zum digitalen Aufnehmen von Daten auf Tonbänder mit hoher Dichte und hoher "Frequenz."

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem hohe Dichte und hohe Frequenz beim digitalen Aufnehmen von Daten auf Tonbänder und dergleichen erreicht wird« Es ist bekannt,-daß beim digitalen Aufnehmen von Daten mit hoher Dichte mittels der zur Zeit üblichen Techniken die Aufnahmen eingeschränkt werden durch die Dauer der Ausfälle des magnetischen Bandes» Die augenblicklichen Entwicklungsmethoden über die

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in der Literatur berichtet wird gründen auf der Verbesserung der Qualität der magnetischen Bänder der Aufnahme, und Abnehmerköpfe und des Bandtransportmechanismus.

Die Dichte bei der Aufnahme bei Recheneinrichtungen variiert zwischen 200 Bits pro inch bis zu annähernd 3OOO Bits pro inch auf Jeder Spur des magnetischen Bandes, Der letztere Wert wird durch die Methode der Fehlerkorrektur-Verschlüsselung erreicht, der die Bedeutung der Bandausfälle reduziert. Offensichtlich ist es bei modernen Techniken höchst erstrebenswert, noch höhere Werte als diese zu erreichen, und es wäre von Vorteil, Dichten von beispielsweise 10 000 oder 20 000 Bits pro inch zu erhalten, was lediglich durch die vorgegebene Bandbreite und das Geräusch des Aufnahmemittels begrenzt wird. Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, zu diesem Ziel zu gelangen.

Einer der Gründe für Ausfälle ist, wie oben festgestellt, der Mangel von Qualität bei Magnetbändern, ebenso wie die Einschränkungen, die von den Aufnahmeköpfen und den Abnehmerköpfen herrühren, sowie das Problem, das Bandtransporbsysteiö· höchst wirksam zu erhalten. Während Verfeinerungen der

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mechanischen und physikalischen Punktionen zwecks Reduzierung der Ausfälle noch möglich, sind, wird es doch schon klar, daß man auf ein System übergehen muß, das von dem völlig verschieden ist, das zur Zeit benutzt wird, wenn man größte Dichten bis zur Bandbreite sowie Geräuscheinschränkungen des Systems erreichen will. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein solches verbessertes Systeme Die Erfindung besteht darin, daß auf jeder Spur des Bandes ein verlängertes Bitsignal simultan mit der Aufnahme von N-Bits auf dieser einen Spur verwendet wird«

Demnach beruht die Erfindung auf dem Grundsatz, daß, wenn Daten mit N-Bits auf einer vorgegebenen Spur zugleich codiert und aufgenommen werden, und jeder Bit verlängert wird auf ein Vielfaches des faktors N, verglichen mit der entsprechenden Serien-Bitlänge, eine Iiohe Bitdichte möglich ist, mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit, daß die verlängerten Bits durch Bandausfälle beeinträchtigt werden. Im Falle eines Bandausfalles stellt sich eine unbedeutende Abwertung (Degradation) jedes von N Bits ein, gegenüber der einschneidenden Abwertung eines oder mehrerer Bits, wie

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dies bei den im Augenblick verfügbaren Techniken häufig der Fall ist, so daß durch die Benutzung dieses Grundsatzes Aufnahmedichten verwendet werden können, die sich der Bandbreite nähern und Geräuscheinengungen des Aufnahmewiedergabesystems vorgenommen: werden können, und doch nur eine geringe Wahrscheinlichkeit von Datenausfall vorhanden ist.

Es hat sich herausgestellt, daß, wenn man mit dem herkömmlichen Aufnahmegerät nach diesem Prinzip arbeitet, man in der Lage ist, eine Aufnahmebitdichte von mindestens 12 000 Bit/inch/Spur zu erreichen, wobei die Fehlermöglichkeit 1 : 10 beträgt« Seine Grenze findet das System eher bei dem Verhältnis Signal/Geräusch und/Bandbreite als durch den Magnetbandausfall» In der Zeichnung ist das Prinzip der Erfindung schematisch dargestellt» Es sind:

Figo 1 Die Darstellung von 8 Bits von binär codierten Daten, wie sie in üblicher Weise in Aufeinanderfolge; aufgenommen werden,

Fig. 2 eine Darstellung, wie die gleichen Daten gemäß der Erfindung in paralleler Anordnung aufgenommen werden, mit Verlängerung des einzelnen Bit auf den Sfachen Wert der Dauer eines dis-

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kreten Reihenbit,
Ig. 3 und 4-"" eine Digital -Auf nähme einheit und eine

Digital—Wiedergabeeinheit als System, schematisch dargestellt.

Im folgenden werden drei Techniken geschildert, die man als Verfahren benutzen kann, um zu den Vorzügen zu gelangen, die die Erfindung darbietet:

Erstes Verfahren;

Ein binäres Datum in Serienformat wird in ein Parallelformat' von N-BIt überführt, wenn es sich nicht schon in dem Irallelformat. befindet, wobei jeder Bitkanal einen von N Trägern unter Anwendung der Frequenz-Verschiebungsmodulation als Codiermethode moduliert. Hierbei ist die ü'requenzzuweisung für die Träger so, daß jeder Träger eine Bandbreite hat, die zur Bitlänge reziprok ist, eingeschlossen ein Überwachungs band, das das Filtern der Träger erlaubt, um gegenseitige Beeinflussung zu reduzieren. Die modulierten Träger werden Bandpaß-gefiltert, linear addiert und linear auf die eine Spur des Bandes aufgenommen, wobei die relativen Amplituden so sind, daß bei der Wiedergabe das Signal zum Störverhält-

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nis in jedem Kanal gleich, ist, wobei das ungleichförmige Geräusch-Spektrum beim Aufnahmeverfahren in Rechnung gestellt wird. Bei der Wiedergabe wird jeder Träger durch Filterung auf Abstand gehalten und nach Frequenz unterschieden«, Die wiedergegebenen Daten werden aus der N-Bitparallellage zurückgebracht in das Serial-Format, wenn dieses notwendig ist. .

•Ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung wird anhand der Fig, 3 und 4 erläutert. Bei diesem Beispiel können Daten beispielsweise mit einer Dichte von 10 000 Bit pro inch auf einer Spur eines Magnetbandes aufgenommen werden, das mit einer Bandgeschwindigkeit von 120 inch/Sek. und einer Bandbreite 1, 5 Mz läuft«, Solche Geräte sind auf dem Markt erhältliche Mit einem überschlägigen Verhältnis von 23 cLB zwischen rms Signal und rms Geräusch, das heutzutage so und noch besser technisch zu erreichen ist, er-

hält man eine Bitfehlerzahl von 1 : 10 · Daten im Serial-Format mit einem Bitwert von 120 000 Bits pro Sekunde werden in ein 32 Bit NRZ Parallel-Format umgewandelt und jeder der 32 Bitzüge kommt durch ein Tiefpaßfilter auf eine Bandbreite von 19 KHz, Jeder gefilterte Bitzug moduliert alsdann die " Frequenz eines spannungsgeregelten Oszillators auf ί 9» 5 KHz

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Spitze (peak) um seine nomi&le Mittelfrequenz, wobei" die ■Frequenzen des Trägers 47 KHz Intervalle von 23 KHz bis 1 480 KHz einschließlich haben. Die Träger werden jeder auf Durchlaßbereich gefiltert (band-pass filtered) auf ί 19 KHz χτύ ihre Mittelfrequenzen, mit 9 KHz Schutzband (guard band) zwischen den Kanälen, Die Träger werden linear zusammengemischt mit den Amplituden bei den Trägerfrequenzen in direktem "Verhältnis zur Rauschleistungsdichte des Aufnahmewieder-' gäbesystems_Λ Das gemischte Signal wird auf einem Pegel von 22 dB unterhalb des 2 % Verzerrungspegels für ein Sinusoid, wie es auf einem Spannungsmesser für Durchschnittsablesungen angezeigt wird, aufgenommen, damit die. Wahrscheinlichkeit, daß Spitzensignale geklippt werden (clipping) möglichst gering ist.

Bei -der Wiedergabe mit 120 inch/Sek« χ -'-den die Träger durch Bandpaßfiltern getrennt und unter Verwendung von Impulsausmittelungs-Diskriminatoren aufgelöst (detected), deren Ausgang durch Tiefpaßfilter geht, um die Trägerkomponenten zu reduzieren und dann in der Spannung so begrenzt wird, daß 32 Rechteckwellenzüge entstehen«

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Das parallele Datum, das man so erhält, wird in das 120 000 Bit/Sek. am Ausgang des Systems zurückverwandelt.

Zweites Verfahren:

Die N-Bitkanale eines N-Bit-Parallelformat-Datenzuges modulieren jeder eine von E-Trägerwellen unter Verwendung der Phasenumkehrmodulationo Die Träger sind in Phasenzusammenhang (phase coherent) und die Frequenzabstände sind gleichförmig und etwas größer als der Umkehrwert der kürzesten Bitlänge, so daß Schutzbänder (guard bands) zwischen die Kanäle zwecks Abfilterung gegenseitiger Interferenz verlegt werden können-e Die modulierten und gefilterten Signale und ein Pilotton-Referenzsignal werden dann linear addiert und linear auf eine Spur des Magnetbandes aufgetragen, wobei die bzwo Amplituden so sind, daß beim'Wiedergeben das Verhältnis Signal zu Störgeräusch in jedem ."Kanal das gleiche ist, wobei das nicht gleichförmi-ge Geräusch-Spektrum des .Wiedergabe-Vorganges in Rechnung gestellt wird* Bei der Wiedergabe wird jeder Kanal demoduliert, wobei zusammenhängende Entdeckung benutzt wird». Die wiedereingefügten Abnahmeträger (play back carriers^werden mit dem Pilotton

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phasenverriegeltο Das Datum am Ausgang erscheint in N-binären Datenkanälen.

Drittes Verfahren;

Ein binäres Datum in Serienformatζ serial format) wird in eine Serie von positiven und negativen Impulsen verwandelt und durch ein zerstreuendes Filternetzwerk geleitet, dessen Gruppenverzögerung eine Funktion der Freq-uenz ist, so daß das Ausgangssignal, das jedem Bit eines Datums entspricht, H-mal ' die Länge einee Originalbits hat. Deshalb ist der Ausgang aus dem Zeirstreufilter ein Signal, das in jedem zeitlichen Augenblick; simultan die Frequenzkomponenten von N aufeinanderfolgenden ;Bits hat. Dieses Signal wird durch ein Amplituden-Iqualisieij-Netzwerk geschickt, das ein Amplitudenverhalten hat, das djie Umkehrung der Signal-Rauschleistungsdichte des Aufnahmesystems hat. Das Signal wird linear auf eine Spur des Magnetbandes aufgenommen. Bei der Wiedergabe wird das Signal zuecst durch ein Netzwerk gegeben, das umgekehrtes ] Phasen- urild Amplitudenverhalten-hat., wie das Amplituden-Iqttalisie3|-Netzwerk, und dann durch ein Netzwerk, welches

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die umgekehrten Frequenz-Verzögerungscharakteristika wie der Aufnahmefilter hat. Hierbei werden Zugaben für das Flattern des Bandtransportgerätes wenn nötig in dem Systemaufbau gemacht. Der ursprüngliche binäre Impulszug wird wieder hergestellt durch das zeitweilige Zusammenbrechen des aufgenommenen Signals, (is recovered by the collapsing in time of the recorded signal).

So sieht man,- daß- wenn das Datum nicht schon im geeigneten Format ist, die Verfahren 1 und 2 es erfordern, daß das Datum in das N-KanalJ-Parallelformat umgewandelt wird, während die Methode 5 verlangt, daß das Datum in das Einzelkanal-Serialformat umgewandelt wird.

Ais Ergebnis der Erfindung springt in die Augen, daß die augenblicklich bestehenden Grenzen des digitalen Speicherns beachtlich hinausgesteckt worden sind, weil erstens die Wirksamkeit von Ausfällen des Magnetbandes nicht länger die Bitdichte pro Spur einschränkt und weil zweitens die Wirksamkeit eines Bandausfalles, die normalerweise ein kritischer Faktor ist und die maximale Breite des Aufnahmebandes und .. damit auch die Anzahl der Köpfe, die zugleich benutzt werden können, einschränkt, um einen Faktor N reduziert worden ist.

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Daraus ergibt sich, daß eine "be tr acht Ii ehe Ersparung an. Bandlänge und Breite erreicht wird, daß nur wenige Spuren benötigt werden, um eine große Wortlänge zu erreichen/und daß bei gegebener Bitleistung eine starke Reduzierung der Bandgeschwindigkeit möglich wird, was zu guten Stop-Start- und Verschleiß-Charakteristika führte

Es liegt auf der Hand, daß verschiedene Arten von Aufnahmegeräten bei der Erfindung verwendbar sind so z_oB. Aufnahmegerät mit transversalem oder schrägabtastendem rotierendem Kopf, die man auf geeignete Weise, wenn dies erforderlich ist, für rapide Stop-Start—Steuerung der Bandgeschwindigkeit modifizieren kann. Die Erfindung richtet sich auch auf die Verwendung einer Anzahl solcher Spuren und auf die Einrichtung zum wiederholten Abnehmen einOT Gruppe von Daten, wobei das Band stillsteht.

Die zuvor erwähnten Parallel-Serialformate kann man für Aufzeichnungen benutzen, Die einzelnen Bits werden um einen Faktor N verlängert und entweder parallel oder in zeitlichen Aufeinanderfolgen aber überlappend aufgenommen entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren. Zu der Änwemdung solcher

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Techniken würde ein Gerät mit rotierendem Aufnahmekopf, mit einer Kopf-zu-Bandgeschwindigkeit von z.B. 1 5OO inches pro Sekunde sonst nicht in der üage sein, mit einer Geschwindigkeit von einigen 20 Megabits/Sek./Spur oder 4-0 Megabits pro Sekunde in einem Zw ei spur syst em auf zunehmen und wiederzugeben Das dargelegte Prinzip hat eine sehr weite Anwendungsmöglichkeit bei Digitalrechenvorgängen von sehr hoher Geschwindigkeit wobei man einen Vorteil aus der Fähigkeit zieht, lange Datenwörter bei hoher Geschwindigkeit mit einem rapidem Stop-Startvermögen und wiederholtem Wiedergabevermögen, und auf kontinuierliche und intermittierende Breitband-Datenübertragungssysteme aufzunehmen und wiederzugeben, insbesondere Systeme mit Ausbreitung durch Rückstrahlung von Meteor "-Führungsstreifen" (meteor trails). _r

Das Prinzip kann gleicherweise auf Aufnahmesysteme angewendet werden, die andere Medien als Magnetbänder, wie Plastikfilme, als Mittel zum Aufnehmen benutzen, um damit Probleme zu lösen, die mit dem Ausfall zusammenhängen oder um andere Vorteile aus dem Prinzip zu erzielen, insbesondere die Verringerung der Auswirkung von Band-Schräglaüf·

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In den Fig· 1 und 2 sind die herkömmlichen Bitlängen und die Bitlänge nach der Erfindung einander gegenübergestellt und.mit N bzw₀ 8 N bezeichnet·

In den Fig. 3 und 4- sind die zu dem Aufnahmesystem nach der Erfindung gehörigen Einzelpositionen mit 1 - 7 und die zu der Wiedergabeeinrichtung gehörigen Positionen mit 8 -14-bezeichnet. Die Datenquelle 1 bringt 12Qk Bit/Sek« in Serienanordnung. 2 ist ein lOrmatumwandler in IT-Bitparallelanordnung, 3 ein Tiefpaßfilter von 19 EHz, 4 ein spannungsgeregelter Oszillator, - 9, 5 KHz, 6 ein Bandpaßfilter ί 19 KHz, 6 ein Mischer und 7 ein Bandaufnahmegerät, 1, 2 MHz, 120 inch/Sek·. Der Wiedergabeteil beginnt mit einem Wiedergab ebandgerät, 1, 5 MHz, 120 inch/Sek., Dann folgt der Splitting-Verstärker mit den Kanälen 9» ein Bandpaßfilter 10, ί 19 KHz, ein Frequenzunterscheider 11, ein Tiefpaßfilter 12, 19 KHz, ein Spannungsbegranzer -13 und zum Schluß der Formatumwandler von Parallel N-Bits in Serial N-Bits. Sein Ausgang bringt 120 000 Serial-Bit/Sekunden.

- Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zum digitalen Aufnehmen von Daten mit hoher Dichte und hoher Frequenz auf Tonbänder oder dergleichen, d a d u r c h g e k eη η ζ ei c h η et, daß ein M-Bitdatum alle Bits in codierter Form angeordnet enthält und ■simultan in einer vorgegebenen Spur so festhält, daß jeder Bit, verglichen mit der Serien-Bitlänge (serial bit length), mit einem Faktor bis zum Faktor N verlängert ist, daß aber jeder Bit nachher von jedem anderen Bit in einem Decodier-Vorgang zu trennen ist. ·

2· Verfahren nach Anspruch 1, da d u r cn g e k e η η ζ e i ch η © t,.daß ein N-Bit-Serialdatum als erstes in ein Datum umgewandelt wird, das diese parallel und unterscheidbar angeordnet enthält und aufgenommen wird und in der iölge bei der Wiedergabe in ein Serialdatum zurückverwandelt wird»

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3o Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Codieren jedes verlängerten Bitdatums durch Frequenz—Modulation geschieht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e η η ζ e ic h η et, daß das N-Bit-Serialdatum jeden Bit, durch Frequenz-Modulation unterschieden und für korrekte Bandbreite ausgewählt, durch ein Begrenzungsfilter geführt, enthält, und daß die so modulierten Bi-ts dann gemischt und auf eine Einzelbandspur aufgenommen werden.

5» Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß jedes N-Bitdatum zum Codieren jeden Bit frequenzmoduliert enthält und die so modulierten Bits zusammengemischt auf eine Einzelbandspur aufgenommen -werden, und daß bei der Wiedergabe des Bandes das Signal durch Frequenzauswahl-Filter oder durch einen Kreis (circuit) zur Trennung der N-Bits voneinander hindurchgegeben wird„

6_e Verfahren nach Anspruch 5» <3- 3- d u r c h gekennzeichnet, daß die N-Bits in einen Förmatumwandler gegeben werden um das Parallelformat der N-Bits wieder in

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das Serialformat rückzuüberführen·

7 ο Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h ge k e η η ze lohne t, daß die N-Bitkanäle eines N-Bit-Parallelformat-Datenzuges (N-bit parallel format data train) jeder eine von N Trägerwellen unter Benutzung der Phasenumkehr-Modulation moduliert, wobei die Trägerphasen zusammenhängend (phase coherent) sind und die Frequenzabstände völlig einheitlich und etwas großer sind, als der Reziprokwert der kürzesten Bitlänge, wodurch gegenseitige Beeinflussung ausgefiltert wird, und daß dann die modulierten und gefilterten Signale linear addiert und auf eine Spur eines Bandes (tape) aufgenommen werden»

8«. Verfahren nach Anspruch 7, g e k e η η ζ e ic h η e t durch die Zugabe eines Pilottones in die Aufnahme als Bezugssignal.

9o Verfahren nach Anspruch 7, d a d u roh g e k e η η ζ e i c h η et, daß die Wiedergabe unter der Benutzung der zusammenhängenden Aufdeckung (coherent detection) erfolgt, so daß das Ausgangsdatum in N Binärdaten-Kanälen erscheint·

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10 * Verfahren nach Anspruch 7j d a d u r c h g e k e η η -· zeichnet, daß der Aufnahme ein Pilotton als Bezugssignal zugegebenwird und die Wiedergabe durch Demodulieren jedes Kanals unter Anwendung coherenter Detektion erfolgt, wobei die Wiedergabeträger mit dem Pilotton verriegelt (locked) werden, so daß das Ausgangsdatum in N--Binarkanälen erscheintο

11. Verfahren nach Anspruch !,dadurch g e k e η η ζ e i c h η et, daß das Binärdatum im Serialformat vorhanden ist und in eine Serie von positiven und negativen Impulsen umgewandelt wird, indem das Datum durch ein Streufilter-Netzwerk gegeben wird, dessen Verzö-gerung eine Punktion der Frequenz ist, so daß das Ausgangssignal (output signal) entsprechend jedem Datumsbit N-mal die Dauer des Originalbits hat und daß das Signal durch ein Amplituden-Abgleiclu-Netzwerk (amplitude equalising network) geht und linear auf eine Spur eines Magnetbandes aufgenommen wird.

12· Verfahren nach Anspruch 11, d adurc h g ekennzeichnet, daß bei der Wiedergabe das Signal beim Durchgeben durch ein Netzwerk, das das umgekehrte Phasen- und Amplituden-Verhalten hat, wie das Amplituden-Abgleich-

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Netzwerk, umgewandelt wird, dann durch ein Netzwerk mit umgeMirter Yerzögerungscharakteristik hindurchgeht, wie sie das Aufnahme-Filter-Netzwerk hat, und daß die Wiederherstellung der binären Impulsfolge durch zeitweiees Zusammenbrechen (collapsing in time) des aufgegebenen Signals geschieht»

13o Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h ge k e η η .zeich η et, daß das Datum in der aufzunehmenden Form durch ein Amplituden-Abgleieh-Netzwerk mit einem Amplituden-Freguenz-Verhalten proportional der Rauschleistungsdichte (noise power density) des Aufnahmemediums hindurchgegeben wird, so daß man bei der Wiedergabe ein Signal gleichförmig der Geräusch/Frequenz-Charakteristik erhält.

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L e e r s e i t e