home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Black Box 4 / BlackBox.cdr / textinfo / cartphas.arj / CARTPHAS.BEI
Encoding:
Text File  |  1988-10-21  |  22.7 KB  |  492 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.                   Originally from AV-Sync BBS (404) 320-6202
  23.  
  24.  
  25.             AUTOMATIC PHASE CORRECTION FOR TAPE CARTRIDGE MACHINES 
  26.  
  27.  
  28.                                      BY: 
  29.  
  30.                           James R. (Rick) Carpenter 
  31.                          Manager of Audio Engineering 
  32.                          Broadcast Electronics, Inc. 
  33.                                Quincy, Illinois 
  34.  
  35.                              Published: March 1986
  36.     
  37.     
  38.  
  39.      Time delay (phasing) errors between the left and right channels in 
  40. stereo tape cartridge machines causes erratic high frequency loss and 
  41. other compatibility problems when the channels are "summed" to monaural 
  42. either before transmission or within a monaural receiver tuned to a 
  43. stereo broadcast.  These problems are created by azimuth errors between 
  44. the playback head gap and the material recorded on the tape.  The common 
  45. causes of azimuth errors are head misalignment, gap scatter and the time 
  46. dependent variations of the tape cartridge and its related tape guidance 
  47. system. 
  48.  
  49.      Presently used cartridge machine phase correction systems use a one 
  50. time alignment during recording to correct for an average phase error 
  51. value.  This average correction only partially addresses the problem 
  52. since the amount of correction needed changes as the tape cartridge mech-
  53. anism revolves.  Real time correction is required to completely correct 
  54. phase errors.  Stand alone systems are available to correct for phase 
  55. errors, but they are expensive and require encoding of a reference signal 
  56. on each tape. 
  57.  
  58.      This paper describes a technology that corrects phase errors in real 
  59. time during tape motion without the encoding of a reference signal. 
  60.  
  61.  
  62.                          LIMITS OF PERFORMANCE 
  63.  
  64.      In order to set the design limits of the correction circuits, the 
  65. performance limits of the tape cartridge medium need to be defined.  The 
  66. parameters that we are most interested in are azimuth error and its 
  67. effects, signal-to-noise, frequency response, separation and distortion. 
  68.  
  69.  
  70. Azimuth 
  71.  
  72.      Azimuth refers to the head gap orientation with respect to the di- 
  73. rection of tape travel.  Absolute azimuth denotes that the head gap is 
  74. perfectly perpendicular to the direction of tape travel as shown in 
  75. Figure 1. 
  76.   
  77.  
  78.  
  79.  
  80.    FIGURE 1.  ABSOLUTE AZIMUTH         FIGURE 2.  RELATIVE AZIMUTH ERROR 
  81.  
  82.  
  83.      Relative azimuth error depends on the difference between the azimuth 
  84. of the material recorded on the tape and the azimuth of the playback head 
  85. as shown in Figure 2.  Relative azimuth errors cause two problems in tape 
  86. cartridge machines.  The first is a non-recoverable loss of high fre-
  87. quency information during playback.  Figure 3 shows the amount of high 
  88. frequency loss versus relative azimuth error according to the formula: 
  89.  
  90.            L=20 log sin (180 T)/3.14159*T 
  91.        
  92.            L= loss in dB 
  93.            T= tan (A)*F*W/V 
  94.            A= relative azimuth error (degrees) 
  95.            F= the frequency of interest (Hz) 
  96.            W= track width (inches) 
  97.            V= tape speed (inches/second)
  98.  
  99.      Azimuth errors also cause time delay (phase shift) errors between 
  100. the two audio channels. This interchannel time delay can cause image 
  101. shift in stereo systems and cancellation of some signal components in 
  102. summed monophonic systems.  The cancellation effect is most pronounced at 
  103. high frequencies because the differential time delay results in a phase 
  104. error which increases with frequency according to the formula: 
  105.  
  106.            Pe=360*Td*Fs 
  107.             
  108.            Fs is the frequency of interest. 
  109.            Td is the interchannel time delay. 
  110.            Pe is the interchannel phase error. 
  111.  
  112.      From Figure 3 it can be seen that an azimuth error of 0.5 degrees 
  113. causes a 10.5 dB loss at 15 kHz.  This is an interchannel phase error of 
  114. 40 degrees at 1 kHz, which is equivalent to an interchannel time delay of 
  115. 115 microseconds. 
  116.  
  117.  
  118.  
  119.  
  120.            FIGURE 3.  LOSS AS A FUNCTION OF FREQUENCY AND AZIMUTH 
  121.  
  122.  
  123.      This 115 microseconds of delay causes complete cancellation of 4.3 
  124. kHz and 13 kHz components in a mono sum signal as shown in Figure 4.  The 
  125. maximum tolerable system delay error would seem to be less than 16 micro-
  126. seconds.  This is equivalent to 90 degree interchannel phase error at 15 
  127. kHz (relative azimuth error of 0.07 degrees) which gives a maximum stereo 
  128. frequency response loss of 0.15 dB at 15 kHz.  The maximum mono sum loss 
  129. would then be 3 dB at 15 kHz. 
  130.   
  131.  
  132.         
  133.          
  134.        FIGURE 4.  SUMMED MONOPHONIC FREQUENCY RESPONSE VS. DELAY 
  135.  
  136.           
  137.      It is obvious from these figures that the onset of monophonic signal 
  138. degradation occurs with much smaller relative azimuth errors than those 
  139. which affect the stereo channels only.  This information on the amount of 
  140. error necessary to degrade the monophonic versus the stereo program ma-
  141. terial sets the necessary time delay correction range.  Along with the 
  142. typical cartridge machine performance data discussed next, it sets the 
  143. boundaries for the performance of the phase correction system. 
  144.  
  145.  
  146. Signal-To-Noise 
  147.  
  148.      The signal-to-noise of a tape machine is determined by the tape type 
  149. and operating level.  Without some form of noise reduction, an unweighted 
  150. S/N of 60 dB below 250 nWb/m pulling tape is achievable at this time. 
  151.  
  152.  
  153. Frequency Response 
  154.  
  155.      The frequency response of a tape cartridge machine is limited by the 
  156. amplitude of the low frequency contour effects of the head.  Newer head 
  157. designs provide a frequency response of  1 dB from 30 Hz to 16.5 kHz. 
  158.  
  159.  
  160.  Distortion 
  161.  
  162.      The distortion performance of a tape cartridge machine is limited by  the
  163. tape type and the recorded level.  Newer tape formulations allow distortion
  164. figures of under 1% at record levels of under 250 nWb/m. 
  165.  
  166.  
  167. Separation 
  168.  
  169.      The separation performance of any tape machine is dominated by the 
  170. tape heads.  While separation performance of 60 dB is possible at fre-
  171. quencies less than 1 kHz, inductive coupling between the coils of each 
  172. channel limit the separation performance to the neighborhood of 35 dB at 
  173. 16 kHz. 
  174.  
  175.      In order for the phase correction circuitry to be transparent to the 
  176. cart machine performance, it needs to exceed the performance specifica-
  177. tions given below in Table 1. 
  178.  
  179.  
  180.                  PHASE CORRECTION PERFORMANCE MINIMUMS 
  181.  
  182.            Distortion                    0.5%
  183.            Signal-To-Noise               70 dB
  184.            Frequency Response            0.25 dB 40 Hz-16 kHz 
  185.            Separation                    60 dB 30 Hz-16 kHz
  186.            Correction Range              115 microseconds 
  187.                                          (620 degrees at 15 kHz) 
  188.            Correction Error              16 microseconds 
  189.                                          90 degrees at 15 kHz) 
  190.                                          (30 degrees at 5 kHz) 
  191.  
  192.  
  193. Mono Compatibility 
  194.  
  195.      As was detailed above, the onset of monophonic signal degradation 
  196. occurs with much smaller relative azimuth errors than those which affect 
  197. the stereo channels only.  Monophonic listeners still form the largest 
  198. group of listeners for all broadcasters.  According to industry standards 
  199. groups, over 90% of AM and TV listeners and 50% of FM listeners regularly
  200. listen in mono. 
  201.  
  202.      Compared to the smooth frequency response loss of the stereo channels
  203. with increasing azimuth error, the degradation of the summed monophonic 
  204. signal takes on a particularly offensive quality.  For example, an inter-
  205. channel time delay error of 50 microseconds totally cancels any 10 kHz 
  206. response in the summed signal.  The response loss at 5 kHz is only -3 dB 
  207. and the signal amplitude also rises again above 10 kHz as shown in 
  208. Figure 5. 
  209.   
  210.          
  211.          
  212.       FIGURE 5.  SUMMED MONOPHONIC RESPONSE VS. FREQUENCY (50 uS) 
  213.          
  214.  
  215.      The objectionable nature of this degradation is due to the fact that 
  216. this mid-frequency notch is not normally present in naturally occurring 
  217. sound sources.     
  218.  
  219.      The time dependent skew of the typical tape cartridge magnifies the 
  220. effect of this notch by shifting the notch back and forth in frequency at 
  221. a slow rate dependent on the speed of the tape, the cartridge machine 
  222. positioning system and the cartridge construction.  The notch then audibly
  223. "swishes" up and down in frequency as the tape is played.  These consid-
  224. erations require a real time phase correction system to remove all annoy-
  225. ing artifacts from the monophonic signal. 
  226.          
  227.          
  228.                       METHODS OF PHASE CORRECTION 
  229.  
  230.      There are several available methods to correct phase in cartridge 
  231. systems.  They tend to fall into two broad categories: encoding systems 
  232. and non-encoding systems.
  233.  
  234.  
  235. Encoding Systems 
  236.  
  237.      Encoding phase correction systems usually inject some type of control
  238. signal onto the tape when it is recorded to define the correct phase rela-
  239. tionship of the right and left channels.  The advantage of the encoding  systems
  240. is that the correction circuitry can be optimized for a known  reference signal.
  241. For example, one system uses a modulated 19 kHz pilot  signal recorded on both
  242. audio channels.  Another system records left channel audio on the cue track for
  243. a reference. 
  244.  
  245.      While not usually thought of in these terms, a system which uses sum  and
  246. difference matrixing techniques is also an encoded system.  This process uses
  247. one channel for sum (L+R) information and the other channel for  difference
  248. (L-R) information.  Each playback machine must have a decoder  (dematrix) and
  249. each recorder must have an encoder (matrix). 
  250.  
  251.      When they are actually used, encoded systems usually give the best 
  252. phase correction performance.  The disadvantage of encoded systems is the 
  253. need to encode each cartridge in the system to take advantage of the cor-
  254. rection capability.  In order to actually use the correction performance 
  255. of an encoding system, the entire cartridge library, all agency spots and 
  256. any other cart not recorded with the encoding system must be re-recorded. 
  257. Encoding systems also require each playback cartridge machine to have a 
  258. decoder assigned to it, which imposes large cost, maintenance and com-
  259. plexity penalties on the entire audio system. 
  260.  
  261.      A subset of the encoding phase correction system is a cart machine 
  262. system that mechanically adjusts the relative azimuth of the record head 
  263. to that of the playback head during a setup procedure.  This allows the 
  264. machine to correct for the average phase error of that one tape machine/
  265. tape cartridge system.  This system ignores the questions of machine to 
  266. machine interchangeability, cartridges that were not recorded on that 
  267. system (eg. agency spots) and changes in tape cartridge phase performance 
  268. due to wear and minor damage.  It cannot correct for real time changes in 
  269. phase error due to the rotation of the cartridge mechanism, which creates 
  270. time dependent variations in the amount of tape skew. 
  271.  
  272.      Matrix encoding systems do not solve any phase problem, they just 
  273. introduce the problem in another form.  With phase problems in the dis-
  274. crete audio channels, there will be phase problems in the matrixed audio.  
  275. In matrix form the result is usually poor separation and a poor stereo 
  276. image for the stereo listener.  To insure good separation, the amplitude 
  277. and phase characteristics of the L+R and L-R channels must be tightly 
  278. controlled.  Most tape head amplitude balance specifications are on the 
  279. order of  3 dB and phase dispersion is rarely specified.  Figure 6 gives 
  280. the resulting separation if amplitude and phase errors between the L+R
  281. channel and the L-R channels are known. 
  282.  
  283.      Since the channel signal-to-noise ratio for a tape machine is fixed, 
  284. it is also likely that the final discrete signal-to-noise ratio will de-
  285. grade.  Most stereo signals have much more L+R than L-R information.  In 
  286. the worst case (L or R only), the L+R channel will be 6 dB lower than a 
  287. discrete channel.  This is because when L=R the amplitude is twice the 
  288. single channel value (6 dB).  When the decoded noise contribution of the 
  289. L-R channel is added during dematrix, there can be as much as a 9 dB de-
  290. gradation of signal-to-noise. 
  291.  
  292.  
  293.   
  294.          
  295.        FIGURE 6.  SEPARATION VS. DIFFERENTIAL AMPLITUDE AND PHASE 
  296.  
  297.  
  298. Non-Encoding Systems 
  299.        
  300.      Non-encoding phase correction systems are based on the fact that 
  301. stereo program material has a considerable amount of monophonic content 
  302. and that this monophonic content can be used to guide the correction 
  303. process.  As was shown in the section on azimuth effects, degradation of 
  304. the monophonic content of the stereo program occurs well before any de-
  305. gradation of the actual stereo information. 
  306.  
  307.      In order to use the monophonic content of a stereo program to cor-
  308. rect for time delay (phase) errors, it is necessary to find a way to ex-
  309. tract the time delay information from the audio signals on the tape.  
  310. Signal theory points out a way by using a valuable property of signals 
  311. called the auto-correlation function. 
  312.  
  313.      The auto-correlation function is a time function of the signal.  It 
  314. indicates the degree to which the signal is related to values of itself 
  315. in time.  This function is obtained by multiplying the current signal by 
  316. a delayed sample of itself and averaging over the sample time.  At zero 
  317. delay, the signal is multiplied by itself and the value is the signal 
  318. power.  As the amount of system delay is increased the value of the auto-correlation will decrease.  The auto-correlation function will always have 
  319. its largest amplitude at zero delay, except for sine waves which have 
  320. additional, equal value peaks at multiples of the period. 
  321.  
  322.      If a signal is multiplied by a delayed sample of another signal, the 
  323. result is the cross-correlation function, which represents the amount of  common
  324. information in the signals.  Using the two channels of a stereo  system, the
  325. cross-correlation will then represent the auto-correlation of  the monophonic
  326. components.  This is the information needed to extract the  time delay
  327. information from the stereo signals.  Using a servo system to  maximize the
  328. value of the correlation function by linearly delaying the  leading channel,
  329. will allow real time correction for interchannel time  delays. 
  330.  
  331.      Unfortunately, finding the peak of the correlation function requires 
  332. the evaluation of the function at several points and a search to find the 
  333. largest peak.  This process does not lend itself to cost effective real-
  334. time implementation in a servo system.  However, knowledge of the per-
  335. formance limitations of the system to be corrected allows the design of 
  336. real-time signal processing techniques to simplify the evaluation of the 
  337. correlation function.  Because each channel is processed before the cor-
  338. relation, the system design can be limited to detecting the zero point of 
  339. the function, the central concept of any servo design. 
  340.  
  341.      This design allows a low cost, high performance real time phase cor-
  342. rection to be designed for almost any stereo system.  The design of the 
  343. signal processing circuitry will be dependent upon the performance char- 
  344. acteristics of the stereo source device.  Since the optimum signal pro-
  345. cessing circuitry for each source device type is different, there is no 
  346. easy way to use this technique to develop a "universal" phase corrector.  
  347. Each type of stereo source device would require different signal proces-
  348. sing circuits.  Using one signal processing device would require re-
  349. adjustment for each source. If a compromise setting is attempted, degra-
  350. dation of both monophonic and stereo performance would result. 
  351.  
  352.  
  353.                    SYSTEM EXPLANATION AND PERFORMANCE 
  354.  
  355. System Explanation 
  356.  
  357.      A block diagram of the system is shown in Figure 7. 
  358.  
  359.      The right and left audio channels are low pass filtered, then input 
  360. to linear audio delay lines.  The audio delay lines were picked as appro-
  361. priate technology for a cartridge machine corrector system because they 
  362. have a linear time delay versus frequency characteristic.  It is very 
  363. difficult to build analog phase delays that have a linear delay versus 
  364. time characteristic.  The delay line audio performance, while not up to 
  365. compact disc audio quality, is more than adequate for tape machine use.  
  366. The harmonic distortion is less than 0.25% and the signal-to-noise is 
  367. greater than 75 dB below normal signal level.  The left delay is fixed at 
  368. one millisecond, the right delay is variable from 0.8 milliseconds to 1.2 
  369. milliseconds.  This gives a maximum delay range of  200 microseconds 
  370. ( 1080 degrees at 15 kHz). 
  371.   
  372.  
  373.  
  374.  
  375.     FIGURE 7.  TAPE CARTRIDGE PHASE CORRECTION SYSTEM BLOCK DIAGRAM 
  376.  
  377.  
  378.      After the delays, the audio is low-pass filtered to remove sampling 
  379. artifacts and is passed on to the noise reduction circuitry.  The audio 
  380. is also sampled at this point for the phase detector signal processor.  
  381. After signal processing the signals are correlated, rectified and fil-
  382. tered.  This filtered, level shifted signal is used to run the right de-
  383. lay clock, completing the phase tracking servo loop. 
  384.  
  385.  
  386. System Performance 
  387.  
  388.      The Lissajous figure shows before and after correction results for a 
  389. single test tone of 7.5 Hz in Figure 8.  The error is slightly greater 
  390. than 90 degrees (oval trace) and the correction is better than 3 degrees 
  391. (45 degree line).  Figure 9 shows a before-and-after correction results 
  392. for a pink noise test tape.  These pictures were created by manually mis-
  393. aligning the playback head of the machine and then enabling the phase 
  394. correction. 
  395.   
  396.  
  397.  
  398.  
  399. FIGURE 8.  TONE-PHASE ERROR BEFORE       FIGURE 9.  PINK NOISE PHASE ERROR
  400.        AND AFTER CORRECTION                 BEFORE AND AFTER CORRECTION
  401.  
  402.  
  403.      The trace in Figure 10 is a five minute sample of relative uncor-
  404. rected cartridge machine playback phase error (degrees) versus time 
  405. (minutes).  A new 6 minute cartridge was used.  It was recorded with a 
  406. 7.5 kHz tone on the same cartridge machine used for playback.  The large 
  407. excursion in-phase at about 4 minutes is the tape splice.  The trace in 
  408. Figure 11 is a five minute sample of the same machine and tape as Figure 
  409. 10, but with the phase correction in circuit.  Without phase correction 
  410. in circuit, the maximum peak phase error (excluding the splice) is 17 
  411. degrees, with short term variances of as much as 15 degrees.  With the 
  412. phase correction in circuit, the maximum peak phase error (excluding 
  413. splice) is 1 degree, with short term variations of 2 degrees. 
  414.  
  415.  
  416.  
  417.  
  418.  
  419.             FIGURE 10.  UNCORRECTED PHASE ERROR VERSUS TIME 
  420.   
  421.  
  422.             FIGURE 11.  CORRECTED PHASE ERROR VERSUS TIME
  423.  
  424.  
  425.      This is an obviously an optimum system.  It has a brand new cart-
  426. ridge and freshly tweaked record and playback alignment.  Figure 12 shows 
  427. a non-encoded five minute sample of the same machine, but with a different
  428. tape that was recorded on a different machine.  The phase offset is 80 
  429. degrees.  The maximum peak phase error is 85 degrees, with short term 
  430. variations of 10 degrees.  With the phase correction in circuit (Figure 
  431. 13), the phase offset is eliminated.  The short term error is reduced to 
  432. less than 3 degrees. 
  433.  
  434.  
  435.  
  436.  
  437.         FIGURE 12.  OLD CART-UNCORRECTED PHASE ERROR VERSUS TIME 
  438.   
  439.  
  440.         FIGURE 13.  OLD CART-CORRECTED PHASE ERROR VERSUS TIME 
  441.  
  442.  
  443.  
  444.                                CONCLUSION 
  445.             
  446.      A built-in, non-encoding interchannel phase correction system has 
  447. been profiled in this paper.  This cost effective, operator transparent 
  448. system eliminates the monophonic compatibility problem for any tape cart-
  449. ridge machines playing any tape, without the inconvenience and expense 
  450. involved with encoded systems. 
  451.  
  452.  
  453.                             ACKNOWLEDGEMENTS
  454.  
  455.      The author would like to thank T. Whiston for the testing, J. Houghton
  456. for the drawings and C. Steffen and L. Foster for putting this paper into 
  457. readable form. 
  458.  
  459.  
  460.                                THE AUTHOR
  461.  
  462.      James R. "Rick" Carpenter earned his BSEE, and is pursuing an MSEE, 
  463. from West Virginia University in Morgantown, West Virginia.
  464.  
  465.      Mr. Carpenter has designed instrumentation for the U.S. Bureau of 
  466. Mines.  He was project engineer for the Harris MX-15 FM exciter develop-
  467. ment, the Broadcast Electronics TZ-30 TV MTS generator, and the Broadcast 
  468. Electronics PT-90 cartridge machine.  The author has extensive experience 
  469. in solid-state RF design and analog tape equipment design.
  470.  
  471.      The author is presently Manager of Audio Engineering for Broadcast 
  472. Electronics Inc. in Quincy, Illinois.
  473.  
  474.      Mr. Carpenter has authored numerous technical papers, including co-
  475. authorship of the NAB Handbook chapter on "Analog Magnetic Recording" and 
  476. is a member of AES.
  477.  
  478.                                  REFERENCES
  479.  
  480.      Burstein, Herman, "How Important is Tape Azimuth", Audio VOL.68, 
  481. No.9, pp. 40-746, (c) 1984. 
  482.  
  483.      Moris, A.H., Mullen, J.T., "Phase Error In Tape Cartridges for Radio 
  484. Broadcast Service", Journal Audio Engineering Society, VOL.31, No.1/2, 
  485. (c) 1983. 
  486.  
  487.      Heinrich, Mer, "Delay-Lock Tracking of Stochastic Signals", IEEE 
  488. Transactions on Communications, VOL. COM 24, No.3, (c) 1976. 
  489.  
  490.      Cabot, R.C., Pavlok, R., "A High Accuracy Analog Cross Correlator", 
  491. AES Preprint 1362, 60th Convention, (c) 1978. 
  492.