home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HamCall (October 1991) / HamCall (Whitehall Publishing)(1991).bin / bcast / miscbcst / cartmicr.txt < prev    next >
Text File  |  1990-10-14  |  19KB  |  413 lines

  1.  
  2.      *********************************************************************
  3.      *  NOTE:  The following ASCII text file (without graphics)          *
  4.      *         is contained in a printed technical paper available       *
  5.      *         from Broadcast Electronics Inc.  Unfortunately, it        *
  6.      *         was not possible to reproduce the graphics portions       *
  7.      *         of this paper within this text file.  If you find the     *
  8.      *         information in this file of interest, you may request     *
  9.      *         a complimentary, printed, copy including figures and      *
  10.      *         graphics from: BROADCAST ELECTRONICS INC.                 *
  11.      *                        P.O. BOX 3606                              *
  12.      *                        4100 N. 24TH  STREET                       *
  13.      *                        QUINCY, IL. 62305-3606                     *
  14.      *                        ATTN: SALES DEPARTMENT                     *
  15.      *                        PH  217-224-9600                           *
  16.      *                        FAX 217-224-9607                           *
  17.      *                                                                   *
  18.      *         The contents of this technical paper are                  *
  19.      *         Copyrighted (c) 1986, by Broadcast Electronics Inc.       *
  20.      *         All rights reserved.                                      *
  21.      *********************************************************************
  22.  
  23.  
  24.  
  25.     A MICROPROCESSOR PERFORMANCE OPTIMIZER FOR ALL TAPE FORMULATIONS 
  26.  
  27.  
  28.  
  29.                                    BY:
  30.  
  31.                        James R. (Rick) Carpenter 
  32.                       Manager of Audio Engineering
  33.                        Broadcast Electronics Inc. 
  34.                             Quincy, Illinois 
  35.  
  36.  
  37.  
  38.  
  39.  
  40.      The proliferation of broadcast tape formulations has required the 
  41. broadcast engineer to either accept performance degrading compromise set-
  42. tings for bias and equalization, restrict his use to only one tape formu-
  43. lation or equalize independently and frequently for each tape type.  Even 
  44. if the engineer chooses one tape type from one manufacturer, batch to 
  45. batch variations in performance are inevitable. 
  46.  
  47.      This paper describes a system that optimizes performance of various 
  48. tape formulations rapidly and automatically.  The system stores and re-
  49. trieves the optimum settings for a variety of tape formulations permit-
  50. ting maximum audio tape performance without time consuming manual adjust-
  51. ments for each and every recorded tape. 
  52.  
  53.  
  54. BIAS, SENSITIVITY, AND EQUALIZATION VARIANCE IN BROADCAST CARTRIDGE TAPE
  55.  
  56.      Table 1 shows the statistical results of bias, equalization and sen-
  57. sitivity testing performed on three different groups of broadcast car-
  58. tridges on a single tape cartridge machine.  The first group was new car-
  59. tridges of the same length from the same date code and the same manufac-
  60. turer.  The second group was from the same manufacturer, but of different 
  61. lengths, ages and date codes.  The third group was a random selection of 
  62. new cartridges from different manufacturers.
  63.  
  64.  
  65.              TABLE 1.  VARIANCE IN BROADCAST CARTRIDGE TAPE
  66.  
  67.                   BIAS            EQUALIZATION           SENSITIVITY 
  68.                  
  69.               MEAN    3           MEAN     3            MEAN     3 
  70.          
  71.    GROUP1     61.7  0.32 dB       42     0.65 dB        35.4   0.6 dB 
  72.    GROUP2     62.9  0.96 dB       38.6   2.25 dB        34.9   1.15 dB 
  73.    GROUP3     59.1  2.30 dB       45.3   3.30 dB        34.5   2.40 dB 
  74.  
  75.        As shown in Table 1, 99% of the first group of tapes were within 
  76.  0.325 dB of the average bias current level of the group.  99% of the 
  77. second group of tapes covered a range of  0.96 dB of the average bias 
  78. current level.  99% of the third group of tapes were within  2.3 dB of 
  79. the average bias level.  99% of the first group of cartridges were within 
  80.  0.65 dB of the average equalizer level of the group.  99% of the second 
  81. group of tapes covered a range of  2.25 dB of the average equalizer level 
  82. of the group.  99% of the third group were within  3.3 dB of the average 
  83. equalizer level of the group.  The equalizer level is the amount of high 
  84. frequency (12 kHz) gain necessary to match the 1kHz output level.  99% of 
  85. the first group were within  0.6 dB of the mean sensitivity of the group.  
  86. 99% of the second group were within  1.15 dB of the mean sensitivity of 
  87. the group.  99% of the third group of tapes were within  2.4 dB of the 
  88. mean sensitivity of the group. 
  89.  
  90.      To demonstrate the audio performance impact of the statistical re-
  91. sults, -10 dB record/replay frequency responses were plotted.  The bias, 
  92. equalization and sensitivity were optimized for a tape on the mean of 
  93. each group.  The frequency response of other tapes in the group was then 
  94. plotted without altering any parameters.  These plots are shown in 
  95. Figures 1, 2, and 3.  The first group of new tapes, as would be expected 
  96. from the statistical data and common sense, was the only group that had 
  97. consistent response.  Plots of the other, non-optimum groups, show large 
  98. performance variations.  With the normal station cart mix, optimum tape 
  99. machine performance requires frequent and time consuming adjustments for 
  100. each batch and type of tape cartridges.  Automatic record alignment, with 
  101. easy storage and retrieval of settings for various tape formulations and 
  102. batches, is a valuable tool for the broadcast engineer.
  103.  
  104.  
  105.            AUTOMATIC TAPE PARAMETER ADJUSTMENTS-THE LEARN MODE
  106.  
  107.      The learn mode of operation in the PT90RPS optimizes three critical 
  108. recording parameters for any tape formulation: bias, equalization, and 
  109. sensitivity.
  110.  
  111.  
  112. Criteria For Bias Adjustment 
  113.  
  114.      There are many proposed criteria for defining the optimum bias level 
  115. for a particular tape formulation and tape machine combination.  The five 
  116. least controversial criteria for optimum bias level settings are: 
  117.  
  118.      1. The bias level at which the third harmonic distortion is minimum. 
  119.  
  120.      2. The bias level at which the recorded sensitivity of a reference 
  121.         frequency is maximum.       
  122.  
  123.      3. The bias level at which the low frequency MOL is maximum. 
  124.  
  125.      4. The bias level at which the IM distortion is minimum. 
  126.  
  127.      5. The bias level at which the AM modulation distortion is minimum. 
  128.   
  129.  
  130.  
  131.  
  132.    FIGURE 1.  SAMPLE OF FREQUENCY RESPONSE VARIATIONS - GROUP 1 TAPES
  133.  
  134.  
  135.    FIGURE 2.  SAMPLE OF FREQUENCY RESPONSE VARIATION - GROUP 2 TAPES
  136.  
  137.  
  138.    FIGURE 3.  SAMPLE OF FREQUENCY RESPONSE VARIATIONS - GROUP 3 TAPES 
  139.  
  140.  
  141.        Although sensitivity and distortion requirements cannot be satisfied 
  142. simultaneously at all frequencies, the distortion and sensitivity versus 
  143. bias of broadcast tape formulations at 7.5 ips form fairly broad curves 
  144. as shown in Figure 4.  In particular, the first two criteria mentioned 
  145. above are almost equivalent.  The LEARN mode was developed using a mod-
  146. ified version of criteria 1 and 2 above.  This criteria leans toward re-
  147. duced noise and distortion at the expense of more complex record equali-
  148. zation circuitry. 
  149.  
  150.  
  151.              FIGURE 4.  TAPE PARAMETERS VERSUS BIAS CURRENT 
  152.  
  153.  
  154.        As seen from Figure 5, tape sensitivity versus bias level plots 
  155. usually have only one, easy to detect maximum.  However, other factors of 
  156. tape machine design and construction can cause false maximum detection.  
  157. The two biggest causes of false peak detection are the inter-head time 
  158. delay and tape dropouts. 
  159.  
  160.      The record and play head gaps of a broadcast cartridge machine are 
  161. separated by a nominal center-to-center distance of 1.125 inches.  At the 
  162. normal 7.5 ips tape speed, this is equivalent to a time delay of 0.15 
  163. seconds.  Suppression of the dropout error requires that the bias be 
  164. stepped in small increments (0.05 dB) and the playback output be recti-
  165. fied and filtered before input to the microprocessor.  To accommodate the 
  166. 3.75 ips speed and the time delay in the detection filter, the bias level 
  167. is incremented at 0.5 second intervals. 
  168.  
  169.  
  170.  
  171.            FIGURE 5.  AUDIO OUTPUT MAXIMUM VERSUS BIAS CURRENT
  172.  
  173.  
  174. Bias Adjustments 
  175.  
  176.      The bias adjustment is performed using the same audio detection and 
  177. A/D circuitry used to establish the equalization and sensitivity levels. 
  178. The internal 12 kHz oscillator is selected and the microprocessor incre-
  179. ments the bias D/A converters output in 0.05 dB steps.  In order to re-
  180. duce the number of steps and therefore the amount of time needed to make 
  181. the adjustment, the initial bias level is set to a predetermined, non-
  182. zero level. The bias current is increased until the playback audio level 
  183. peaks.  The peak audio level is multiplied by 0.86 (2 dB) and stored.  
  184. The bias is then decremented until the playback audio level matches the 
  185. stored -2 dB level.  This is called  "2 dB overbiasing".  The frequency 
  186. response difference of each tape is then compensated for with an adjust-
  187. able record equalizer.  Figure 6 shows a flow chart of the bias adjust-
  188. ment system. 
  189.   
  190.  
  191.  
  192.             FIGURE 6.  LEARN MODE FLOW CHART BIAS ADJUSTMENT
  193.  
  194.  
  195.   Tape Sensitivity Adjustment 
  196.  
  197.      The tape sensitivity adjustment is performed using the same audio 
  198. detection and A/D circuitry used to establish the bias level.  The inter-
  199. nal 1kHz oscillator is selected and the audio gain VCAs in the input 
  200. audio chain are incremented in 0.1 dB steps until  a predetermined, user-
  201. defined level is reached.  In order to reduce the number of steps and 
  202. therefore the amount of time needed to make the adjustment, the initial 
  203. level is set to a predetermined, non-zero level.  The input sensitivity 
  204. control has a range of  10 dB.  The input sensitivity circuitry is fac-
  205. tory set to adjust for both the 160 nWb/M level or the 250 nWb/M level.  
  206. The status of the deck elevated level sensor determines which level is 
  207. used as the reference. Figure 7 shows a flow chart of the input sensitiv-
  208. ity adjustment system. 
  209.  
  210.  
  211.  
  212.          FIGURE 7.  FLOWCHART LEARN MODE SENSITIVITY ADJUSTMENT
  213.  
  214.  
  215. Record Equalization Adjustment 
  216.  
  217.      The record equalization adjustment is performed using the audio de-
  218. tection and A/D circuitry used to set the bias and input sensitivity.  
  219. The internal 12 kHz oscillator is selected and the VCAs in the input high 
  220. frequency circuitry are incremented in 0.05 dB steps until the same pre-
  221. determined, user defined level used for the sensitivity adjustment is 
  222. reached.  In order to reduce the number of steps and therefore the amount 
  223. of time needed to make the adjustment, the initial equalization level is 
  224. set to a predetermined, non-zero level.  The high frequency record equal-
  225. ization control has an adjustment range of  6 dB.  Figure 8 shows a flow 
  226. chart of the high frequency equalization adjustment. 
  227.  
  228.  
  229.  
  230.  
  231.         FIGURE 8.  FLOWCHART LEARN MODE EQUALIZATION ADJUSTMENT 
  232.  
  233.  
  234.        The low frequency response of tapes is dominated by the response of 
  235. the playback head.  The low frequency "contour" effect causes response 
  236. irregularities of as much as  1 dB in a well designed head and as much as 
  237.  6 dB in older designs.  Since the low frequency equalization adjustment 
  238. is not as sensitive to tape formulation, it is controlled by a potenti-
  239. ometer adjustment with enough range to equalize the low frequency re-
  240. sponse for the most commonly used international equalization standards. 
  241.  
  242.      The LEARN mode is designed to permit storage in battery-backed mem-
  243. ory of as many as 10 sets of bias, equalization and input sensitivity 
  244. data for instant recall.  The elevated level function permits automatic 
  245. switching between two sets of data.  For example, record settings can be 
  246. automatically switched between a normal bias tape and elevated bias level 
  247. tape.  If the tape being optimized exceeds the range of the bias, equal-
  248. ization or level adjustments, the machine exits the LEARN mode, stops and 
  249. the front panel displays the word "FAIL".  A simplified flow chart for 
  250. the entire LEARN mode is presented in Figure 9.  The block diagram for 
  251. the LEARN functions of the cartridge machine is given in Figure 10. 
  252.  
  253.      The frequency response sweeps in Figure 11 show the performance of 
  254. three different tape formulations after each was optimized using the 
  255. LEARN mode.  The sweep marked "A" is a normal bias tape. The sweep marked 
  256. "B" is a high bias tape.  The tape marked "C" is a new tape formulation 
  257. requiring even higher bias than "B".  The time required to optimize these 
  258. tapes were: A=43 seconds; B=48 seconds; C=55 seconds.  The time range to 
  259. LEARN a tape was 42 seconds to 57 seconds for the tapes tested.
  260.  
  261.   
  262.  
  263.  
  264.            FIGURE 9.  SIMPLIFIED LEARN MODE FLOW CHART 
  265.   
  266.  
  267.            FIGURE 10.  SIMPLIFIED BLOCK DIAGRAM OF LEARN MODE 
  268.   
  269.  
  270.            FIGURE 11.  POST LEARN, PERFORMANCE OF THREE
  271.                        DIFFERENT TAPE FORMULATIONS
  272.  
  273.  
  274.                             MACHINE FEATURES 
  275.  
  276.      The inclusion of a microcomputer in the cartridge machine has been 
  277. the means of cost effectively adding other useful features.  The PT90RPS 
  278. includes a prioritized three level access to features, a real time tape 
  279. timer, a manual adjustment mode, a built in tone oscillator (with sweep 
  280. mode) a four digit alphanumeric display, a digital FSK tone encoder and 
  281. the already mentioned LEARN mode. 
  282.  
  283.  
  284. Three Level Function Access 
  285.  
  286.      To insure the data integrity of the 10 memory registers, access to 
  287. some functions of the cartridge machine can be restricted. There are 
  288. three levels of access which can be programmed on the CPU module: 
  289.  
  290.      1.  Normal  Timer, recall memorized tape settings and produce 
  291.                  recordings.   
  292.  
  293.      2.  Learn   Timer, settings can be recalled from memory and the 
  294.                  LEARN (LRN) mode can be initiated to learn and save 
  295.                  new tape settings to memory. 
  296.  
  297.      3.  Manual  All functions and settings can be accessed. 
  298.  
  299.        Table 2. gives a summary of the three levels of function access.  
  300. The characters in parenthesizes are the defaults for the front panel 
  301. alphanumeric display. 
  302.  
  303.  
  304.                  TABLE 2.  LEARN MODE ACCESS LEVELS         
  305.  
  306.      NORMAL LEVEL           LEARN LEVEL             MANUAL LEVEL 
  307.  
  308.      Timer (TOOO)           Timer (T000)            Timer (T000) 
  309.      Recall Memory (RM#n)   Recall Memory (RM#n)    Recall Memory (RM#n) 
  310.                             Learn (LRNn)            Learn (LRNn) 
  311.                                                     Fader (FLnn)
  312.                                                           (FRnn)
  313.                                                     Bias  (BLnn)
  314.                                                           (BRnn)
  315.                                                     Equal (ELnn)
  316.                                                           (ERnn)
  317.                                                     Save Memory (SM#n)
  318.                                                     Oscillator  ( OFF) 
  319.                                                     Alignment   (nnnn)
  320.  
  321.  
  322.  
  323. Timer 
  324.  
  325.      The four digit front panel timer is active in all modes when tape is 
  326. running.  It displays up to 59:59 minutes, but for the first 9:59 dis-
  327. plays a "T" in the leftmost digit.  The timer will freeze at the end of 
  328. the EOM displaying the message time and will display the total length of 
  329. the cart by depressing the START switch. The timer can be programmed to 
  330. accumulate time for multiple cuts. 
  331.  
  332.  
  333. Manual Adjustment 
  334.  
  335.      In order to permit individual tailoring of bias, equalization and 
  336. level settings, the PT90RPS permits access to these adjustments when the 
  337. CPU module is in the "MANUAL" setting.  Adjustment to Bias Left (BL), 
  338. Bias Right (BR), Fader Left (FL), Fader Right (FR), Equalization Left 
  339. (EL) and Equalization Right (EL) is accomplished by pushing the Function 
  340. (Func) and Execute (Exec) switches on the front panel.  A numeric reading 
  341. from 0-99 is displayed on the two rightmost digits (For example FR50).  
  342. As the UP or Down (DN) switches are pressed, the numeric reading incre-
  343. ments or decrements.  Once the adjustments are made they are then saved 
  344. using the Save Memory (SM) and Execute switches.  Once stored these set-
  345. tings can be used from any CPU level by using the Recall Memory (RM) 
  346. function and the Execute switch. 
  347.  
  348.  
  349. Tone Oscillator 
  350.  
  351.      The PT90RPS divides the master microprocessor crystal to provide a 
  352. very stable reference for cue tones and for a built-in tone oscillator.  
  353. The oscillator gives front panel control of eight test tones (50 Hz, 
  354. 125 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 4 kHz, 8 kHz, 12 kHz and 16 kHz) with a frequency 
  355. response of  0.25 db and distortion of less than 1%.  Level of the tones 
  356. is controlled by the front panel fader level controls.  Depressing the UP 
  357. or DOWN front panel switch for more than 3 seconds in test oscillator 
  358. mode will initiate a sweep through the remaining test frequencies in that 
  359. respective direction. 
  360.  
  361.  
  362.                                CONCLUSION 
  363.  
  364.      A microprocessor controlled broadcast tape cartridge performance 
  365. optimization system has been profiled in this paper.  This cost effective 
  366. system finds, stores and retrieves the optimum settings for a wide vari-
  367. ety of tape formulations, permitting the engineer to optimize the sta-
  368. tions' audio performance, without time consuming manual adjustment for 
  369. each and every tape. 
  370.  
  371.  
  372.                             ACKNOWLEDGEMENTS 
  373.  
  374.      The Author would like the thank T. Whiston for the tape testing, 
  375. T. Lashbrook for the drawings and C. Steffen and L. Foster for putting 
  376. this paper into readable form. 
  377.  
  378.  
  379.                                THE AUTHOR 
  380.  
  381.      James R. "Rick" Carpenter earned his BSEE, and is pursuing an MSEE, 
  382. from West Virginia University in Morgantown, West Virginia. 
  383.  
  384.      Mr. Carpenter has designed instrumentation for the U. S. Bureau of 
  385. Mines.  He was project engineer for the Harris MX-15 FM exciter develop-
  386. ment, the Broadcast Electronics TZ-30 TV MTS generator, and the Broadcast 
  387. Electronics PT90 cartridge machine. The author has extensive design 
  388. experience in solid-state RF design and analog equipment design. 
  389.  
  390.      Mr. Carpenter has authored numerous technical papers, including co-
  391. authorship of the NAB Handbook chapter on "Analog Magnetic Recording" and 
  392. is a member of the AES. 
  393.  
  394.      The author is currently Manager of Audio Engineering for Broadcast 
  395. Electronics Inc. in Quincy, Illinois. 
  396.  
  397.  
  398.                                  REFERENCES
  399.  
  400. 1.  Burstein, Herman, "How Important is Tape Azimuth", Audio VOL.68, 
  401.     No.9, pp. 40-746, 1984.
  402.  
  403. 2.  Kitmura, M., "A Method for Level Variance Analysis of Magnetic 
  404.     Tapes", AES Preprint 1816, 70th Convention, 1981.
  405.  
  406. 3.  Bealor, T., Carpenter, R., and Rosback, T., NAB Engineering Handbook 
  407.     Seventh Edition, (USA: National Association of Broadcasters, 1985), 
  408.     p. 5.11-217 - 5.11-237.
  409.  
  410. 4.  Budelman, G.A., "High-Frequency Variance:  A Program-Dependent 
  411.     Deterioration Mode in Analog Magnetic Tape Recording", AES Preprint 
  412.     1377, 60th Convention, 1978.
  413.