DE1524821C3 - Aufnahme, Speicherung und Wiedergabe digitaler Daten hoher Dichte und Frequenz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für ein Bandaufnahme- und -wiedergabegerät zur Aufnahme, Speicherung und Wiedergabe digitaler Daten hoher Dichte und Frequenz in Form einer N Bit enthaltenen Information, bei welcher eine Kodiereinrichtung zwischen Datenquelle und Bandaufnahmegerät und eine Dekodiereinrichtung zwischen Bandwiedergabegerät und Datenausgang vorgesehen sind.

Es ist bekannt, daß das digitale Aufnehmen, Speichern und Wiedergeben von Daten mit hoher Dichte und Frequenz mittels der zur Zeit üblichen Techniken durch die Dauer der Ausfälle des Bandes beeinträchtigt werden. Man versuchte daher die Qualität der magnetischen Bänder, der Aufnahme- und Abnehmerköpfe und des Bandtransportmechanismus zu verbessern.

Die Dichte bei der Aufnahme bei Recheneinrichtungen variiert zwischen 8 Bits/mm (200 Bits pro Inch) bis zu annähernd 120 Bits/mm (3000 Bits pro Inch) auf jeder Spur des magnetischen Bandes. Der letztere Wert wird durch die Methode der Fehlerkorrektur-Ver-

schlüsselung 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 400 oder 800 Bits/mm (10 000 oder 20 000 Bits pro Inch) zu erhalten, was lediglich durch die vorgegebene Bandbreite und das Geräusch des Aufnahmemittels begrenzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Einrichtung der eingangs genannten Art, bei der Impulsausfälle bei der Übertragung und Speicherung digitaler Daten hoher Dichte und Frequenz auf Grund von Bandausfall oder -schräglauf vermieden werden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung entweder dadurch gelöst, daß für die Datenaufnahme folgende Einrichtungen hintereinandergeschaltet sind: die Datenquelle, ein Serien-Parallel-Umsetzer zur Umsetzung der in Serienformat befindlichen Dateninformation in Parallelformat mit N Bitkanälen, wenn sich die Datenbitinformation nicht bereits in Parallelformat befindet, in jedem Bitkanal eine Impulsverlängerungseinrichtung, welche die in Parallelformat befindlichen Datenbits um einen Faktor von bis zu N verlängert, eine Kodiereinrichtung, welche die verlängerten Datenbits der N Bitkanäle durch Frequenz- oder Phasenzuweisung bzw. -modulation kodiert, eine Überlagerungseinrichtung, welche die verlängerten und kodierten Datenbits der N Bitkanäle zu einem Signal überlagert, sowie das Bandaufnahmegerät, welches das überlagerte Signal auf einer einzigen Bandspur aufzeichnet, und daß für die Datenwiedergabe folgende Einrichtungen hintereinandergeschaltet sind: das Bandwiedergabegerät, eine Dekodiereinrichtung, welche das überlagerte Signal durch Frequenz- oder Phasendemodulation in die einzelnen N Bitkanäle aufspaltet und demoduliert, eine Impulsverlängerungseinrichtung in jedem Bitkanal, welche die zurückerhaltenen verlängerten Datenbits auf die ursprüngliche Länge verkürzt, und ein Parallel-Serien-Umsetzer, wenn die Information in dem ursprünglichen Serienformat zur Verfugung gestellt werden soll, oder daß für die Datenaufnahme folgende Einrichtungen hintereinandergeschaltet sind: die Datenquelle, ein Umsetzer zur Umsetzung der in Serienformat befindlichen Datenbitinformation in eine Serie von positiven und negativen Impulsen, ein Streufilternetzwerk, dessen Verzögerungscharakteristik eine Funktion der Frequenz ist, so daß das jedem Datenbit entsprechende Ausgangssignal eine Dauer von bis zu N der Dauer des Datenbits hat, ein Amplitudenausgleichsnetzwerk sowie das Bandaufnahmegerät, welches das überlagerte Signal auf eine einzige Bandspur aufzeichnet, und daß zur Datenwiedergabe folgende Einrichtungen hintereinandergeschaltet sind: das Bandwiedergabegerät, ein Netzwerk mit umgekehrtem Phasen- und Amplitudenverhalten wie das des Amplitudenausgleichsnetzwerkes, ein Netzwerk mit einem Amplituden- und Phasenverhalten, das die nichtlineare Amplituden- und Phasencharakteristik der Bandaufnahme und des Bandwiedergabegerätes korrigiert, ein Netzwerk mit umgekehrter Verzögerungscharakteristik wie die des Streufilternetzwerkes und ein Umsetzer, welcher die positiven und negativen Impulse in die ursprüngliche Datenbitinformation umsetzt.

Die Erfindung geht aus von der Grundidee, daß auf einer einzigen Spur des Bandes ein verlängertes kornplexes Bitsignal, bestehend aus simultan auf dieser einen Spur aufgenommenen N verlängerten Bits, verwendet wird. Wenn bei einer Dateninformation mit N Bits jeder Bit um einen Faktor von bis zu N verglichen und mit der entsprechenden Serien-Bit-Länge verlängert, kodiert und auf einer einzigen Spur gleichzeitig aufgenommen wird, ist eine hohe Bitdichte möglich, mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit, daß die verlängerten Bits durch Bandausfälle beeinträchtigt werden. Im Falle eines Bandausfalles stellt sich eine unbedeutende Verkürzung jedes der N Bits ein, gegenüber dem ganzen Wegfall eines oder mehrerer Bits, wie dies bei den bisherigen Techniken der Fall ist. Bei Benutzung der erfindungsgemäßen Einrichtung können daher Aufnahmedichten erreicht werden, die sich den Grenzen, die durch Bandbreite und Geräuschpegel des Aufnahme-Wiedergabe-Systems gegeben sind, nähern; gleichwohl besteht nur eine geringe Wahrscheinlichkeit von Datenausfall.

Wenn man nach dem erfiridungsgemäßen Prinzip arbeitet, ist man in der Lage, eine Aufnahmebitdichte von mindestens 500 Bits/mm (12 000 Bit pro Inch) pro Spur zu erreichen, wobei die Fehlermöglichkeit 1 :10⁸ beträgt. Seine Grenze findet das erfindungsgemäße System also eher an dem Signal-Geräusch-Verhältnis und Bandbreite als durch den Magnetbandausfall.

In der Zeichnung ist das Prinzip der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 die Darstellung von 8 Bit von binär kodierten Daten, wie sie in üblicher Weise in Serienformat geliefert werden, ^;

F i g. 2 eine Darstellung, wie die gleichen Daten gemäß der Erfindung in Parallelformat gebracht werden, mit Verlängerung des einzelnen Bit auf den 8fachen Wert der Dauer eines diskreten Serienbit und

F i g. 3 und 4 eine Digital-Aufnahmeeinheit und eine Digital-Wiedergabeeinheit als System, schematisch dargestellt.

An Hand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.

Beispiel 1

Mit Hilfe eines Serien-Parallel-Umsetzers wird ein binäres Datum in Serienformat in ein Parallelformat von N Bit überführt, wenn es sich nicht schon in dem Parallelformat befindet. In jedem Bitkanal werden die Λ/Bit nach Verlängerung je einem von N Trägern unter Anwendung der Frequenz-Verschiebungsmodulation zur Kodierung äufmoduliert. Hierbei ist die Frequenzzuweisung für die Träger so, daß jeder Träger eine Bandbreite hat, die zur Bitlänge reziprok ist. Einbezogen wird jeweils ein Schutzband, 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 bemessen sind, daß bei der Wiedergabe das Signal-Geräusch-Verhältnis in jedem Fall gleich ist, wobei das ungleichförmige Geräusch-Spektrum bei der Aufnahme der Datenbits in Rechnung gestellt wird. Bei der Wiedergabe wird jeder Träger durch Filterung nach Frequenz getrennt und demoduliert. Die wiedergegebenen Daten werden aus dem Parallelformat in das Serienformat zurücküberführt, wenn dieses erwünscht ist.

Ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung wird an Hand der F i g. 3 und 4 erläutert. Bei diesem Beispiel können Daten beispielsweise mit einer Dichte von 400 Bits/mm (10 000 Bit pro Inch) auf einer Spur eines Magnetbandes aufgenommen werden, das mit einer Bandgeschwindigkeit von 5 mm/sec (120 Inch pro Sekunde)

und einer Bandbreite von 1,5 MHz läuft. Mit einem überschlägigen Signal-Geräusch-Verhältnis von 23 dB erreicht man eine Bitfehlerzahl von 1 :10⁸. Daten im Serienformat mit einer Bitfrequenz von 1 200 000 Bits pro Sekunde werden in ein 32 Bit NRZ Parallelformat umgewandelt, und jeder der 32 Bitzüge kommt nach Verlängerung jedes Bit um den Faktor 32 durch ein Tiefpaßfilter auf eine Bandbreite von 19 kHz.

Jeder gefilterte Bitzug moduliert alsdann die Frequenz eines spannungsgeregelten Oszillators auf ± 9,5 kHz maximal um seine nominale Mittelfrequenz, wobei die Frequenzen des Trägers 47 kHz Intervalle von 23 kHz bis 1480 kHz einschließlich haben. Die Träger werden jeder auf ± 19 kHz bandpaß-gefiltert und um ihre Mittelfrequenzen ein Schutzband von 9 kHz zwischen den Kanälen vorgesehen. Die Träger werden linear zusammengemischt, wobei die Aplituden in direktem Verhältnis zur Rauschleistungsdichte des Aufnahmewiedergabesystems bei den Trägerfrequenzen stehen. Das komplexe Signal wird auf einem Pegel von 22 dB unterhalb des 2% Verzerrungspegels für eine Sinusschwingung, wie sie auf einem Spannungsmesser für Durchschnittsablesungen angezeigt wird, aufgenommen, damit die Wahrscheinlichkeit, daß Spitzensignale abgeklippt werden, möglichst gering ist.

Bei der Wiedergabe mit 5 mm/sec (120 Inch pro Sekunde) werden die Träger durch Bandpaßfiiter getrennt und unter Verwendung von Impulsausmittelungs-Diskriminatoren aufgelöst, deren Ausgang durch Tiefpaßfilter geht, um die Trägerkomponenten zu reduzieren. Dann wird die Spannung so begrenzt, daß 32 Rechteckwellenzüge entstehen.

Das parallele Datum, das man so erhält, wird in 1 200 000 Bit pro Sekunde am Ausgang des Systems zurückverwandelt.

Beispiel 2

Die N Bitkanäle eines N Bit-Parallelformat-Datenzuges modulieren jeder eine von N Trägerwellen unter Verwendung der Phasenumkehrmodulation. Die Träger sind phasenkohärent, und die Frequenzabstände sind gleichförmig und etwas größer als der Umkehrwert der kürzesten Bitlänge, so daß Schutzbänder zwischen den Kanälen zwecks Abfilterung gegenseitiger Interferenz liegen. Die modulierten und gefilterten Signale und ein Pilotton-Referenzsignal werden dann linear addiert und linear auf eine Spur des Magnetbandes aufgetragen, wobei die relativen Amplituden so sind, daß beim Wiedergeben das Signal-Geräusch-Verhältnis in jedem Kanal das gleiche ist, wobei das nicht gleichförmige Geräusch-Spektrum des Aufnahmevorganges in Rechnung gestellt wird. Bei der Wiedergabe wird die Bitinformation jedes Kanals demoduliert, wobei kohärente Demodulation benutzt wird. Die wiederhergestellten Träger sind mit dem Pilotton phasenverriegelt. Die Dateninformation erscheint in N binären Datenkanälen am Ausgang.

Beispiel 3

Eine binäre Dateninformation in Serienformat wird in eine Serie von positiven und negativen Impulsen verwandelt und durch ein Streufilternetzwerk geleitet, dessen Gruppenverzögerung eine Funktion der Frequenz ist, so daß das Ausgangssignal, das jedem Bit entspricht, N mal die Länge eines Originalbits hat. Deshalb ist der Ausgang aus dem Streufilternetzwerk ein Signal, das in jedem zeitlichen Augenblick simultan die Frequenzkomponenten von N aufeinanderfolgenden Bits hat. Dieses Signal wird durch ein Amplitudenausgleichsnetzwerk geschickt, das ein Amplitudenverhalten hat, das die Umkehrung der Signal-Rauschleistungsdichte des Aufnahmesystems hat. Das Signal wird linear auf eine Spur des Magnetbandes aufgenommen. Bei der Wiedergabe wird das Signal zuerst durch ein Netzwerk gegeben, das ein umgekehrtes Phasen- und Amplitudenverhalten hat wie das Amplitudenausgleichsnetzwerk und dann durch ein Netzwerk, welches die umgekehrten Verzögerungscharakteristiken wie das Streufilternetzwerk hat. Notfalls werden Maßnahmen gegen Geschwindigkeitsschwankungen des Bandtransportgerätes im Systemaufbau getroffen. Der ursprüngliche binäre Impulszug wird wieder hergestellt durch das zeitweilige Zusammenbrechen des aufgenommenen Signals.

Nach dem Verfahren 1 und 2 ist es erforderlich, daß die Dateninformation in ein N Kanal-Parallelformat umgewandelt wird, wenn sich die Dateninformation nicht schon in diesem Format befindet. Die Methode 3 verlangt, daß die Dateninformation in das Einzelkanal-Serienformat umgewandelt wird.

Der erhebliche Fortschritt der Erfindung besteht darin, daß die augenblicklich bestehenden Grenzen des digitalen Speicherns beachtlich erweitert 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, um einen Faktor N reduziert worden ist. Daraus ergibt sich, daß eine beträchtliche 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-Charakteristiken führt.

Es liegt auf der Hand, daß verschiedene Arten von Aufnahmegeräten bei der Erfindung verwendbar sind,

. so z. B. Aufnahmegeräte mit transversalen oder schrägabtastendem rotierendem Kopf, die man auf geeignete Weise, wenn dies erforderlich ist, für schnelle 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 einer Gruppe von Daten, wobei das Band still steht.

Wie zuvor erwähnt, kann man sowohl von Parallelais auch von Serienformaten für Aufzeichnungen ausgehen. 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 Anwendung solcher Techniken würde ein Gerät mit rotierendem Aufnahmekopf, mit einer Kopf-zu-Band-Geschwindigkeit von z. B. 60 mm/sec (1500 Inch pro Sekunde) sonst nicht in der Lage sein, mit einer Geschwindigkeit von einigen 20 Megabits pro Sekunde und Spur oder 40 Megabits pro Sekunde in einem Zweispursystem aufzunehmen 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 Ge-

schwindigkeit mit einem schnellen Stop-Start-Vermögen und wiederholtem Wiedergabevermögen und auf kontinuierliche und intermittierende Breitband-Datenübertragungssysteme aufzunehmen und wiederzugeben.

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-Schräglauf.

In den F i g. 1 und 2 sind die herkömmlichen Bitlängen und die Bitlänge nach der Erfindung einander gegenübergestellt und mit N bzw. 8 N bezeichnet. In den F i g. 3 und 4 sind die zu dem Aufnahmesystem nach der Erfindung gehörigen Einzelpositionen mit 1

bis 7 und die zu der Wiedergabeeinrichtung gehörenden Positionen mit 8 bis 14 bezeichnet. Die Datenquelle 1 liefert 1200 k Bit pro Sekunde in Serienformat. 2 ist ein Serien-Parallel-Umsetzer, der die Dateninformation in ein Parallelformat mit N Bitkanälen umwandelt, 3 ein Tiefpaßfilter von 19 kHz, 4 ein spannungsgeregelter Oszillator mit ± 9,5 kHz Frequenzbreite, 6 ein Bandpaßfilter mit ± 19 kHz Bandbreite, 6 ein Mischer und 7 ein Bandaufnahmegerät mit 1,2 MHz und 120 Inch pro Sekunde. Der Wiedergabeteil beginnt mit einem Bandwiedergabegerät mit 1,5 MHz und 5 mm/sec (120 Inch pro Sekunde). Dann folgt der Splitting-Verstärker mit den Kanälen 9, ein Bandpaßfilter 10 mit einer Bandbreite von ± 19 kHz, ein Spannungsbegrenzer 13 und zum Schluß der Parallel-Serien-Umsetzer, welcher die N parallelen Bits in eine Serie von N Bits überführt. Sein Ausgang bringt 1200 k Bit pro Sekunde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

609 519/298

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Einrichtung für ein Bandaufnahme- und -wiedergabegerät zur Aufnahme, Speicherung und Wiedergabe digitaler Daten hoher Dichte und Frequenz in Form einer N Bit enthaltenen Information, bei welcher eine Kodiereinrichtung zwischen Datenquelle und Bandaufnahmegerät und eine Dekodiereinrichtung zwischen Bandwiedergabegerät und Datenausgang vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß für die Datenaufnahme folgende Einrichtungen hintereinandergeschaltet sind: die Datenquelle, ein Serien-Parallei-Umsetzer zur Umsetzung der in Serienformat befindlichen Dateninformation in Parallelformat mit N Bitkanälen, wenn sich die Datenbitinformation nicht bereits in Parallelformat befindet, in jedem Bitkanal eine Impulsverlängerungseinrichtung, welche die in Parallelformat befindlichen Datenbits um einen Faktor von bis zu N verlängert, eine Kodiereinrichtung, welche die verlängerten Datenbits der N Bitkanäle durch Frequenz- oder Phasenzuweisung bzw. -modulation kodiert, eine Überlagerungseinrichtung, welche die verlängerten und kodierten Datenbits der N Bitkanäle zu einem Signal überlagert, sowie das Bandaufnahmegerät, welches das überlagerte Signal auf einer einzigen Bandspur aufzeichnet, und daß für die Datenwiedergabe folgende Einrichtungen hintereinandergeschaltet sind: das Bandwiedergabegerät, eine Dekodiereinrichtung, welche das überlagerte Signal durch Frequenz- oder Phasenmodulation in die einzelnen N Bitkanäle aufspaltet und demoduliert, eine Impulsverlängerungseinrichtung in jedem Bitkanal, welche die zurückerhaltenen verlängerten Datenbits auf die ursprüngliche Länge verkürzt, und ein Parallel-Serien-Umsetzer, wenn die Information in dem ursprünglichen Serienformat zur Verfügung gestellt werden soll.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Datenaufnahme die Kodiereinrichtung die verlängerten Datenbits jeweils einem der N Träger bestimmter Frequenz beschränkter Bandbreite aufmoduliert, und daß die Überlagerungseinrichtung die so modulierten Träger zu dem überlagerten Signal linear addiert, und daß für die Datenwiedergabe die Dekodiereinrichtung mit einem Bandpaßfilter in jedem der N Bitkanäle das überlagerte Signal aufspaltet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kodiereinrichtung ein Phasenumkehrmodulator ist und die verlängerten Datenbits jeweils einem von phasenkohärenten Trägern beschränkter Bandbreite aufmoduliert und die Überlagerungseinrichtung die so modulierten Träger zu dem überlagerten Signal linear addiert.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Trägerfrequenzen gleich und etwas größer als der Umkehrwert der kürzesten Bitlänge sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem überlagerten Signal ein Pilotton-Referenzsignal linear addiert ist und daß für die Datenwiedergabe ein Bandpaßfilter das Pilotton-Referenzsignal von dem überlagerten Signal abspaltet.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Datenaufnah-

me das Pilotton-Referenzsignal mit den phasenkohärenten Trägern phasenverriegelt ist und daß für die Datenwiedergabe das Pilotton-Referenzsignal zur Ableitung phasenkohärenter Bezugssignale für jeden der phasenkohärenten Demodulatoren dient.

7. Einrichtung für ein Bandaufnahme- und -wiedergabegerät zur Aufnahme, Speicherung und Wiedergabe digitaler Daten hoher Dichte und Frequenz in Form einer N Bit enthaltenden Information, bei welcher eine Kodiereinrichtung zwischen Datenquelle und Bandaufnahmegerät und eine Dekodiereinrichtung zwischen Bandwiedergabegerät und Datenausgang vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß für die Datenaufnahme folgende Einrichtungen hintereinandergeschaltet sind: die Datenquelle, ein Umsetzer zur Umsetzung der in Serienformat befindlichen Datenbitinformation in eine Serie von positiven und negativen Impulsen, ein Streufilternetzwerk, dessen Verzögerungscharakteristik eine Funktion der Frequenz ist, so daß das jedem Datenbit entsprechende Ausgangssignal eine Dauer von bis zu N der Dauer des Datenbits hat, ein Amplitudenausgleichsnetzwerk sowie das Bandaufnahmegerät, welches das überlagerte Signal auf eine einzige Bandspur aufzeichnet, und daß zur Datenwiedergabe folgende Einrichtungen hintereinandergeschaltet sind: das Bandwiedergabegerät, ein Netzwerk mit umgekehrtem Phasen- und Amplitudenverhalten wie das des Amplitudenausgleichsnetzwerkes, ein Netzwerk mit einem Amplituden- und Phasenverhalten, das die nichtlineare Amplituden- und Phasencharakteristik der Bandaufnahme und des Bandwiedergabegerätes korrigiert, ein Netzwerk mit umgekehrter Verzögerungscharakteristik wie die des Streufilternetzwerkes und ein Umsetzer, welcher die positiven und negativen Impulse in die ursprüngliche Datenbitinformation umsetzt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Amplitudenausgieichsnetzwerk mit einem Amplitudenfrequenzverhalten proportional der Rauschleistungsdichte des Bandaufnahme- und -Wiedergabegerätes und des Aufzeichnungsmittels vorgesehen ist.