Tape Recorder from Scratch

[Lavr]

.
Году так в 1974...1975, если мне память не изменяет, появился у одного моего одноклассника вот такой магнитофон (родители за рубежом работали).

Panasonic Slim Line.png

А в то время и советских кассетников в классе фактически ни у кого не было, так что это был настоящий фурор!
В школу он его конечно же не таскал, но друзей, приближенных к своему телу, домой на экскурсии приводил.

По качеству звука этот аппарат скорее ближе к диктофонам, но вот внешний дизайн!!! с тех пор и по сей день меня восхищал!!! И всю жизнь мне хотелось такой "пожмакать"...
Честно говоря, приобрести именно такой магнитофон совсем не проблема, но отдать 12...15 ТыР за него рука не поднималась...

Но этим летом неожиданно братья-китайцы нанесли мне несокрушимый удар по болевой точке.
Я уже покупал ранее на яндекс-маркете FM-радиоприёмник и десяток микросхем, поэтому они обо мне знают и периодически присылают предложения о товарах...

И вот летом они мне сделали предложение от которого я фактически не смог отказаться!

магнитофон c Bluetooth.png

При этом пообещали кучу скидок, за мои прежние достижения и за покупку более 2 ТыР.
Рука поэта не выдержала... и достала деньги...

И вот 25 июля 2025 года мне этот аппарат подогнали - для него я как раз выбирал батарейки.

Магнитофон.png

Ну что сказать... когда я вставил в него кассету, и он вдруг взыграл:

"Freeeeze! I'm Ma Baker - put your hands in the air, gimme all your money! " *

я, честно говоря, был счастлив... Пол дня... пока я слушал и слушал эту кассету...

Как мало порой надо человеку для счастья...

P.S. * - это я сейчас такой умный, а когда мы учились в школе, нифига мы не понимали, что же так задорно горлопанит Лиз Митчел...

[DmitryMilk]

Даешь запись MP3-потока на кассету

Вот интересно, насколько это реально? Хотя бы 64кбит/с.
Хромовые кассеты, если мне не изменяет память, могли при стандартной скорости протяжки передавать до 16 кГц. Понятно, что простой магнитофонной кодировкой, которая использовалась для хранения программ на кассетах, в это 64кбит не впихнешь.

Но если воспользоваться стереофонической головкой и какими-то более продвинутыми современными способами модуляции цифрового сигнала (OFDM всякие), то может быть вполне возможно?

[FizikS]

А почему нет? Писали же видео на магнитофонную ленту без наклонно-строчной записи. Скорость протяжки несколько м/с. Вроде даже промышленные образцы видеомагнитофонов выпускались с таким принципом записи.

[DmitryMilk]

Скорость протяжки несколько м/с

Не, так не интересно. Интересно - чтоб при стандартной скорости ленты впихнуть на одну дорожку 32кбит/с.

Ведь само по себе ограничение полосы в 16кГц еще ничего не говорит о пропускной способности, ведь по Шеннону она является произведением частотной полосы на динамический диапазон, значит теоретически возможно, если не недооценивать возможный динамический диапазон.

[Lavr]

Скорость протяжки несколько м/с

Не, так не интересно. Интересно - чтоб при стандартной скорости ленты впихнуть на одну дорожку 32кбит/с.

Ведь само по себе ограничение полосы в 16кГц еще ничего не говорит о пропускной способности, ведь по Шеннону она является произведением частотной полосы на динамический диапазон, значит теоретически возможно, если не недооценивать возможный динамический диапазон.

Ограничения, связанные с физическими основами магнитной записи, пожалуй, никаких фокусов не позволят...

Маг-1.png

Вроде даже промышленные образцы видеомагнитофонов выпускались с таким принципом записи.

А почему "Вроде"? Когда мы прямо в этой ветке такие образцы рассматривали:


http://www.nedopc.org/forum/viewtopic.php?p=169892#p169892


http://www.nedopc.org/forum/viewtopic.php?p=160054#p160054

[DmitryMilk]

Ограничения, связанные с физическими основами магнитной записи, пожалуй, никаких фокусов не позволят...

А возможно так же посчитать для записи на кассетном магнитофоне? Предположим, что используется хромовая пленка.

Да, формулу Шеннона можно применить и к кассетной записи, рассматривая тракт «запись-воспроизведение» как аналоговый канал передачи данных. Для хромовой ленты (
Type II, CrO2) расчет будет выглядеть следующим образом:
1. Исходные данные для хромовой ленты
Для типичного высококачественного кассетного магнитофона (деки) и хромовой ленты можно принять следующие средние характеристики:

Полоса пропускания (

): от 30 Гц до 18 000 Гц. Следовательно,
Гц.
Отношение сигнал/шум (
): для хромовой ленты без систем шумопонижения оно составляет примерно 58–62 дБ. Возьмем среднее значение 60 дБ.

2. Расчет
Сначала переведем децибелы в линейное отношение мощностей:
Теперь подставим значения в формулу Шеннона-Хартли:
3. Анализ результата
Полученное значение ~360 кбит/с — это теоретический максимум информации, который можно «впихнуть» в одну дорожку кассеты при идеальном кодировании.

Для стереозаписи: Две дорожки дадут суммарную пропускную способность около 720 кбит/с.
Сравнение с цифрой: Это сопоставимо по плотности данных с современными аудиокодеками с потерями (например, MP3 320 кбит/с звучит очень близко к оригиналу). Однако это значительно меньше, чем несжатый CD-Audio (1411 кбит/с).
Влияние систем Dolby: Если использовать Dolby C, отношение сигнал/шум может вырасти до 70–75 дБ. В этом случае теоретический предел поднимется примерно до 450–500 кбит/с на одну дорожку.

Вывод: Обычная аудиокассета с хромовой лентой обладает информационной емкостью, позволяющей передавать данные со скоростью около 0.7 Мбит/с в стереорежиме, что является весьма впечатляющим показателем для технологии 70-х годов.

0.7 мбит/с - это очень впечатляющее значение. Но если я правильно понял, это лишь теоретический предел, а при применении каких-то реальных способов кодирования скорость будет гораздо ниже. Какие способы кодирования можно было бы применить, чтоб получить скорость как можно ближе к теоретическому пределу?

Чтобы подобраться к пределу Шеннона на таком сложном носителе, как магнитная лента, нужно решить две главные проблемы:
неравномерность АЧХ (завал на высоких и низких частотах) и детонацию (плавание скорости).
Для достижения максимальной скорости сегодня бы использовали те же методы, что в современном Wi-Fi или ADSL:
1. OFDM (Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением)
Вместо того чтобы гнать один быстрый поток данных, вся полоса (от 30 Гц до 18 кГц) разбивается на сотни узких подканалов.

Зачем: В каждом подканале свои условия (на 10 кГц шума больше, чем на 1 кГц). Система замеряет

для каждой частоты и передает больше бит там, где сигнал чище.
Результат: Это позволяет «выжать» максимум из кривой АЧХ ленты.

2. Многоуровневая квадратурная амплитудная модуляция (QAM)
В каждом подканале OFDM используется модуляция QAM. Если
позволяет (а у нас 60 дБ — это очень много), можно использовать QAM-1024 или даже QAM-4096.

Это значит, что за один «такт» передается сразу 10 или 12 бит.
Для кассетника это сложно из-за нестабильности амплитуды (осыпание магнитного слоя), поэтому потребовалась бы очень мощная коррекция усиления.

3. Помехоустойчивое кодирование (FEC)
Чтобы исправить ошибки от микро-выпадений сигнала (dropouts), применяются современные коды:

LDPC (Low-Density Parity-Check codes) — именно они сейчас позволяют вплотную приближаться к пределу Шеннона в спутниковой и мобильной связи.
Турбо-коды.
Они добавляют избыточность, но позволяют восстановить данные даже при сильном «шипении» или щелчках.

4. Динамическая подстройка под детонацию
Главный враг цифры на кассете — «плавание» звука. Для этого в сигнал подмешивается пилот-тон (высокоточная опорная частота). Приемник следит за ней и на лету подстраивает тактовую частоту декодера, компенсируя дрожание лентопротяжного механизма.
Реальные примеры из прошлого:
Если посмотреть, что делали раньше, когда пытались превратить кассетник в стример (бекап данных):

Обычные бытовые компьютеры (ZX Spectrum): использовали простейшую частотную манипуляцию (FSK). Скорость была смешной — 1.2–2 кбит/с. Они вообще не использовали потенциал канала.
Стримеры на базе видеомагнитофонов (ArVid): использовали видеоканал. Там полоса шире, и скорости достигали 200–800 кбит/с (уже близко к вашим цифрам, но на видеокассете).

Итог: Если сегодня взять топовую деку (Nakamichi), хромовую ленту и запустить на ней современный программный модем с OFDM + QAM + LDPC, то получить 400–500 кбит/с (для стерео) вполне реально. Этого хватит, чтобы слушать музыку в формате FLAC, которая в реальном времени считывается с аудиокассеты!

[Lavr]

А возможно так же посчитать для записи на кассетном магнитофоне? Предположим, что используется хромовая пленка.

Да, формулу Шеннона можно применить и к кассетной записи, рассматривая тракт «запись-воспроизведение» как аналоговый канал передачи данных. Для хромовой ленты ...

Я так с разбегу опешил: Gemini - ой кто это? Не знаю я такого авторитетного персонажа на нашем форуме...
А потом сообразил и долго смеялся: вы бы ещё agencyABS спросили...

Во времена, когда стали популярными всякие пакеты для расчетов, купил я книгу Очкова В.Ф. типа "Mathcad для студентов и инженеров".
Вот в конце этой книги он ещё тогда замечательную фразу написал:"Помните, что все эти системы, как услужливая собака, которая принесёт вам ту палку, которую вы ей бросите!"
И привёл при этом реальные примеры, как разрушались рассчитанные пакетами самолёты и мосты...

А это ещё были пакеты, весьма далёкие от ИИ, который фактически само:"Чего изволите?"

Хорошо, что ИИ появился сравнительно недавно, иначе всё вот это вряд ли придумали бы своими неглупыми головами...

Маг-3.png

[DmitryMilk]

всё вот это вряд ли придумали бы

Вы не учитываете, что все это придумывалось в условиях дорогих/слабых вычислительных мощностей и отсутствия проработанных алгоритмов обработки сигналов для выжимания максимальной пропускной способности.

Необходимые вычисления над сигналами начали появляться в телекоммуникационном оборудовании только где-то в первой половине нулевых, когда информацией/музыкой/фильмами уже вовсю обменивались на записываемых CD/DVD, а то и вообще через интернет. Даже видеокассеты к тому времени уже практически стали историей. А вот в проводных модемах это как раз вовсю воплощалось, и от каких-то 128кбит/с на среднестатистической абонентской медной паре длиной 2-3 км в середине 90-х скорости выросли к концу нулевых до десятка мегабит/с на той же самой паре (SHDSL-модемы c кодированием TC-PAM128). Собственно, исходя из этих знаний я и предполагаю, что подобное можно было бы применить и к магнитофонному "каналу".

[Lavr]

всё вот это вряд ли придумали бы

Вы не учитываете, что все это придумывалось в условиях дорогих/слабых вычислительных мощностей и отсутствия проработанных алгоритмов обработки сигналов для выжимания максимальной пропускной способности.

Я учитываю главное: очевидную слабость ИИ в технических вопросах и его стремление угодить вопрошаещему.

А главное - я с очевидностью учитываю физические ограничения способа магнитной записи и нестабильность механических систем, являющихся её основой.
Если бы всё было радужно mp3-плееры без механики не отправили бы в историю Walkman-ы.

Фантазировать на разные темы - дело неплохое... но за что я люблю физику и её раздел электронику, так за то что здесь практика - критерий истины.