Grundlagen der magnetischen Signalspeicherung: Band 1 Grundlagen und Magnetköpfe [Reprint 2021 ed.] 9783112578742, 9783112578735

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GRUNDLAGEN DER

MAGNETISCHEN

SIGNALSPEICHERUNG I

E L E K T R O N I S C H E S R E C H N E N UND R E G E L N Herausgegeben von

Prof. Dr. HANS F R Ü H A U F . Prof. Dr. W I L H E L M K Ä M M E R E R Prof. Dr. K U R T S C H R Ö D E R . Prof. Dr. HELMUT W I N K L E R

Sonderband 7

GRUNDLAGEN DER MAGNETISCHEN S I G N A L S P E I CHE RUN G I

bearbeitet von

HORST YÖLZ

A K A D E M I E - V E R L A G 19 6 8

•

B E R L I N

GRUNDLAGEN DER MAGNETISCHEN SIGNALSPEICHERUNG BAND I

GRUNDLAGEN UND MAGNETKÖPFE

VON

C H R I S T I A N K O R I S T K A , ZOLTAN VAJDA, H O R S T VÖLZ

Mit 136 Abbildungen

und 17

A K A D E M I E - V E R L A G 19 6 8

Tabellen

•

B E R L I N

Erschienen im Akademie-Verlag GmbH, 108 Berlin, Leipziger Straße 3—4 Copyright 1968 b y Akademie*Verlag Berlin Lizenznummer: 202 • 100/437/68 Gesamtherstellung: VEB Druckerei „Thomas Müntzer' 4 , 582 Bad Langensalza Bestellnummer: 5583/1 • ES 20 K 2 , 3, 6, 20 C 3

VORWORT Mit der Informationsexplosion der letzten Jahre hat auch die Speicherung dieser Information immer größere Bedeutung gewonnen. Damit wuchs die Menge des bedruckten bzw. beschriebenen Papieres erheblich. Es stellt zumindest zur Zeit noch das bedeutendste Speichermaterial dar. Nebenher entstanden und entwickelten sich aber, und zwar mit viel steilerem Anstieg, andere Verfahren, die vor allem den Vorteil der möglichen automatischen Datenverarbeitung besitzen. Ohne Zweifel überwiegen hier die magnetischen Verfahren, und sobald große Datenmengen notwendig sind, übertrifft das Magnetbandverfahren alle anderen. Nach den verschiedensten Einschätzungen ist seine führende Rolle auch für die nahe und etwas ferne Zukunft gesichert. Die auf diesem Gebiet vorhandenen Bücher und Broschüren berücksichtigen nun leider diese Zusammenhänge wenig und sind auch teilweise durch die schnelle Entwicklung veraltet. Mit dem vorliegenden ersten Band einer Folge von sechs Bänden soll der Versuch unternommen werden, so etwas wie ein Handbuch der Magnetbandspeicherung vorzulegen. Es soll hauptsächlich die Grundlagenprobleme zusammentragen. Auf Probleme der Elektronik soll dabei so gut wie nicht eingegangen werden. Sie sind, wenn auch nicht speziell hierfür, in anderen Werken zu finden. Die Schwerpunkte der sechs Bände werden dabei auf allgemeinen Grundlagen (Speichertheorie, Magnetismus, gerichtliche Fragen), Magnetköpfe, Magnetbänder, Transportwerke und Theorie der Aufzeichnung und Wiedergabe liegen. Ein Abschnitt geschichtlicher Entwicklung dient der Information und Systematisierung. Da in allen vorhandenen Büchern die Transportwerke bisher sehr kurz behandelt wurden, erwies es sich als notwendig, sie hier besonders ausführlich zu gestalten. Ihre Probleme werden etwa einen Umfang von zweieinhalb Bänden ausmachen. Bei dem Umfang der vorhandenen Kenntnisse war es nicht mehr möglich, das Buch von einem Autor schreiben zu lassen. Der Herausgeber möchte jedoch betonen und herzlich dafür danken, daß er bei allen beteiligten Autoren stets großes Verständnis für seine Wünsche fand. So dürfte ein ausgewogenes Niveau zwischen den einzelnen Teilen entstanden sein. Gleichzeitig dürften auch doppelt behandelte Probleme weitgehend vermieden sein und andererseits nur wenig Lücken auftreten. Für alle kritischen Hinweise ist der Bearbeiter den Lesern dankbar. H O E S T VÖLZ

V O R W O R T ZUM E R S T E N B A N D

I m vorliegenden ersten Band wurden die Grundlagen einer Theorie der Speicherung und einige Anwendungen der Informationstheorie zusammengestellt. Hiermit dürfte erstmals für die magnetische Signalspeicherung eine allgemeine Grundlage gegeben sein. Im zweiten Kapitel wird ein kurzer Abriß der magnetischen Voraussetzungen gegeben. Dieser Abriß mag für viele Anwendungen der magnetischen Speicherung ausreichen. Er soll und kann infolge seiner Kürze aber nicht das Studium der einschlägigen magnetischen Fachliteratur ersetzen. Das dritte Kapitel wurde von Herrn Dr. C H R . K O R I S T K A bearbeitet. Infolge der längeren erfreulichen Zusammenarbeit mit ihm ist es hier hoffentlich auch gelungen, eine gemeinsame Sprache zwischen dem Juristen und dem Physiker zu finden. Sein Beitrag beleuchtet deutlich, an welche juristischen Voraussetzungen unsere Arbeiten mit dem Magnetbandspeicher gebunden sind. Diese betrifft sowohl die urheberrechtliche Seite (nur sie wurde bisher in unserer Fachliteratur behandelt), wie auch die Fragen der Urkunde und des Protokolls, die immer mehr in unser tägliches Leben eindringen. Das vierte Kapitel behandelt die Fragen der Magnetköpfe, es wurde in seinen wesentlichen Teilen von dem ungarischen Physiker Z. V A J D A verfaßt. Die Übersetzung besorgte Frau E L I N O R E S T E I M K E . I m Einverständnis mit Herrn V A J D A erfolgte dann vom Bearbeiter eine Überarbeitung, bei der auch einige neuere Teile ergänzt wurden. HORST VÖLZ

INHALTSVERZEICHNIS

1. I n f o r m a t i o n s t h e o r e t i s c h e G r u n d l a g e n

1

1.0. Einleitung

1

1.1. Einteilung der Speicherung 1.1.1. Dimensionen einer Information 1.1.2. Aufzeichnungsvorgang 1.1.3. Speicherzustand 1.1.4. Wiedergabevorgang 1.1.5. Ergänzungen zur zeitlichen Dreiteilung 1.1.6. Bedeutung der Geschwindigkeit 1.1.7. Arten der Speichermedien 1.1.8. Energieeinteilung der Vorgänge 1.1.9. Optische und akustische Reproduktion

2 2 2 2 4 4 6 6 8 11

1.2. Grundlagen der Informationstheorie 1.2.1. Amplitudenstufen 1.2.2. Zweierschritte 1.2.3. Kanalkapazität 1.2.4. Speicherdichte Lineare Speicherdichte Flächenspeicherdichte Volumenspeicherdichte Beispiele , 1.2.5. Zugriffszeit 1.2.6. Störende Amplitudenmodulation . . . Definition der Amplitudenstufen Verallgemeinerung der störenden Amplitudenmodulation. . . . Verteilung der Amplitudenstufen Näherungen für Amplitudenstufen ; 1.2.7. Störende Frequenzmodulation und allgemeine Kanalkapazität . 1.2.8. Modell für den allgemeinen Kanal

12 12 13 13 14 14 15 15 16 17 18 18 18 19 20 21 22

1.3. Information und Energie 1.3.1. Minimalenergie je bit 1.3.2. Einfluß der Störungen 1.3.3. Energie- und Speicherdichte 1.3.4. Probleme der magnetischen Speicherdichte 1.3.5. Probleme des Aufzeichnungs-und Wiedergabevorganges.

25 25 26 27 28 29

1.4. Anwendung der Informationstheorie 1.4.1. Anpassung von Kanälen 1.4.2. Speicherung von Meßwerten 1.4.3. Anpassung durch Frequenzmodulation 1.4.4. Exponentialfrequenzmodulation

. . .

30 30 31 33 35

Inhaltsverzeichnis

X

1.4.5. Einfluß der Spurhöhe 1.4.6. Mehrspurtechnik 1.4.7. Einfluß von Frequenzgängen

36 37 39

1.5. Probleme der Zugriffszeit und Ubertragungsfrequenz 1.5.1. Ein- u n d Ausgabe von Informationen 1.5.2. Zusammensetzung der Zugriffszeit 1.5.3. Lineare Wiedergabe 1.5.4. Einfache Ortsvorwahl 1.5.5. Gestaffelte Ortsvorwahl Berechnung der Zugriffszeit

40 40 42 43 44 47 48

1.6. Beeinflussung der Daten eines Speichers

50

1.7. Literatur

52

2. W i c h t i g e G r u n d l a g e n d e s M a g n e t i s m u s

55

2.0. Einleitung

55

2.1. Wichtige Begriffe und Größen 2.1.1. Feldstärke 2.1.2. Magnetisierung, Induktion, Suszeptibilität und Permeabilität. . 2.1.3. Arten des Magnetismus 2.1.4. Induktionsgesetz 2.1.5. Magnetischer und spezifischer F l u ß

55 55 56 57 57 58

2.2. Statische Hysteresekurve 2.2.1. Messung der K u r v e 2.2.2. Sättigungswerte 2.2.3. Remanenz, Rechteckfaktor und Koerzitivfeldstärke 2.2.4. Verschiedene Schleifen und Permeabilitäten 2.2.5. Unterschleifen u n d reversible Permeabilität 2.2.6. Magnetische Arbeit und Verluste

58 58 58 59 60 60 61

2.3. Magnetischer Kreis 2.3.1. Allgemeiner Ansatz 2.3.2. Berechnung mittels der Permeabilität 2.3.3. Berechnung aus der Entmagnetisierung 2.3.4. Berechnung mittels des magnetischen Widerstandes 2.3.5. I n d u k t i v i t ä t 2.3.6. Entmagnetisierungsfaktor 2.3.7. Scherung 2.3.8. Dauermagnetkreis u n d Energieprodukt 2.3.9. Rückmagnetisierung und Stabilisierung

62 62 63 63 64 64 65 65 66 67

2.4. Elementare Magnetisierungsprozesse 2.4.1. Phänomenologie u n d Statistik 2.4.2. WEisssche Bezirke u n d BLOCH-Wände 2.4.3. Wandverschiebungen und Drehprozesse 2.4.4. Reversible u n d irreversible Prozesse

68 68 69 69 69

2.5. Einbereichsteilchen 2.5.1. Bedeutung der kleinen Volumen 2.5.2. Anisotropie 2.5.3. Magnetisierungsvorgänge 2.5.4. Koerzitivfeldstärke u n d Drehprozesse 2.5.5. Pärchenmodell

70 70 70 71 72 72

, . .

Inhaltsverzeichnis 2 . 6 . P R E I SA C H - D a r s t e l l u n g

XI 73

2.6.1. Voraussetzungen

73

2 . 6 . 2 . PREIS A C H - E b e n e u n d - B e l e g u n g

73

2.6.3. Magnetisierungsvorgänge 2.6.4. Beispiel 2.6.5. Grenzen 2.7. L i t e r a t u r

'.

74 75 75 77

3.

J u r i s t i s c h e P r o b l e m e der V e r w e n d u n g von Magnet tonauf ' Zeichnungen 3.0. Einleitung

79 79

3.1. Die B e d e u t u n g akustischer I n f o r m a t i o n e n f ü r die menschliche Gesellschaft

80

3.2. Einteilung der Magnettonaufzeichnung 3.2.1. J u r i s t i s c h e F r a g e n des E n t s t e h e n s einer Magnettonaufzeichnung . 3.2.2. I n h a l t einer Magnettonaufzeichnung 3.3. Magnettonaufzeichnungen als Beweismittel 3.3.1. Kriminalistische Untersuchungen z u m Beweiswert 3.3.2. Einteilung der Beweismittel 3.3.3. Magnettonaufzeichnungen als Beweisgegenstände 3.3.4. F r a g e n der Schriftlichkeit 3.4. Magnettonaufzeichnungen als U r k u n d e n 3.4.1. Voraussetzungen f ü r eine U r k u n d e 3.4.2. Folgerungen f ü r die M a g n e t t o n a u f z e i c h n u n g 3.4.3. Verkehrsfähigkeit 3.5. Magnettonaufzeichnungen als Protokolle 3.5.1. Einteilung der Protokolle 3.5.2. Besonderheiten bei der Magnettonprotokollierung 3.6. Urheberrechtlicher Schutz des gesprochenen Wortes 3.6.1. Urheberrechtlich geschützte Magnettonaufzeichnungen 3.6.2. Schutz vertraulicher Aufzeichnungen u n d Mitteilungen . . . .

80 81 81 82 82 83 84 84 85 85 86 89 89 89 90 91 92 93

3.7. L i t e r a t u r

94

4.

Magnetköpfe

4.0. Einleitung 4.1. K e n n w e r t e der Magnetköpfe 4.1.1. Wiedergabeköpfe f ü r analoge Speicherung Wechselstromwiderstand Empfindlichkeit Wiedergebbare Wellenlängen Wiedergebbare F r e q u e n z e n E i g e n r a u s c h e n des Kopfes E i n f l u ß von Störfeldern Lebensdauer Nebenspureinfluß Phasenfehler 4.1.2. Wiedergabeköpfe f ü r digitale Speicherung Empfindlichkeit Auflösungsvermögen 4.1.3. Aufzeichnungsköpfe f ü r analoge Speicherung Vormagnetisierungsstrom Empfindlichkeit

97 97 98 98 98 99 99 99 100 101 101 101 101 101 102 102 102 103 103

XII

Inhaltsverzeichnis Vormagnetisierungsleistung Aufzeichenbare Wellenlängen Aufzeichenbare Frequenzen Verzerrungen 4.1.4. Aufzeichnungsköpfe f ü r digitale Speicherung Empfindlichkeit Auflösungsvermögen. . . • 4.1.5. Löschköpfe

103 104 104 104 104 104 104 104

4.2. Theoretische Betrachtung des Eisenkreises 4.2.1. Statische u n d niederfrequente Eigenschaften Magnetischer Widerstand Wirkungsgrad Verzerrungen Sättigung Remanenz 4.2.2. Dynamische Eigenschaften Frequenzabhängiger Wirkungsgrad Wirbelstromverluste Spaltverluste Einschwing verhalten

105 105 106 106 108 110 110 111 111 112 114 114

4.3. Materialeinflüsse beim Eisenkreis 4.3.1. Forderungen an die Spalteinlage 4.3.2. Herstellung des Spaltes 4.3.3. Forderungen an das Kernmaterial 4.3.4. Eigenschaften der Kernmaterialien Höchstpermeable Legierungen Aluminiumhaltige Legierungen Ferrite

115 115 116 117 119 119 120 121

4.4. A u f b a u und Herstellung des Eisenkreises 4.4.1. A u f b a u mit Metallfolien Klassischer Ringkern Zweiblechkern Einblechkern 4.4.2. Ferritkerne 4.4.3. Allgemeines

123 123 123 124 124 125 127

4.5. Magnetköpfe ohne Eisenkern 4.5.1. Spule als Aufzeichnungskopf 4.5.2. Spule als Wiedergabekopf

127 127 129

4.6. I n d u k t i v e Aufzeichnungs- u n d Wiedergabeköpfe mit K e r n 4.6.1. Kopfimpedanz Einfluß der Kerneigenschaften Messung der Verlustanteile Frequenzgang des Wirkungsgrades Berücksichtigung der Spulen- und Schaltkapazität 4.6.2. Wiedergabeköpfe f ü r analoge Speicherung Wiedergabespannung Empfindlichkeit Einfluß der Spurhöhe Verzerrungen Rauschspannung Einfluß von Störfeldern

130 130 131 131 132 132 133 133 133 134 134 136 137

Inhaltsverzeichnis 4.6.3. Wiedergabeköpfe für digitale Speicherung Impulsspannung Auflösungsvermögen Einschwingverhalten Frequenzgrenze 4.6.4. Aufzeichnungsköpfe für analoge Speicherung Empfindlichkeit Vormagnetisierungsleistung Aufzeichenbare Wellenlängen Wechselstromwiderstand Verzerrungen Rauschen Abschirmung 4.6.5. Aufzeichnungsköpfe für digitale Speicherung Feldstärke im Arbeitsspalt Änderung der Permeabilität . Empfindlichkeit Aufzeichnungsköpfe mit einer Windung Grenzwellenlänge und Frequenzbereich Wärmeabfuhr 4.6.6. Aufzeichnungs-Wiedergabeköpfe

XIII 137 137 138 138 140 140 140 141 141 " 141 142 142 143 143 143 144 144 145 145 146 146

4.7. Löschköpfe und Löschgeräte 4.7.1. Dauermagnetanordnungen 4.7.2. Wechselfeldlöschung Wechselstrom widerstand Verluste bei lamellierten Kernen Verluste bei Ferritkernen Verluste bei leitenden Spalteinlagen Abschirmung Doppelspaltlöschköpfe 4.7.3. Bandlöschgeräte Löschung mit Netzfrequenz Impulslöschung

147 148 150 150 151 151 151 152 152 153 153 153

4.8. Mehrspurköpfe 4.8.1. Technologische Probleme 4.8.2. Einfache Fehler bei der Speicherung Zeitfehler Empfindlichkeit Frequenzgang Amplitudenschwankungen 4.8.3. Nebenspureinfluß Einfluß des Informationsträgers Einige Meßergebnisse Allgemeines 4.8.4. Magnetkopf mit gekreuzten Spalten

154 155 157 157 157 157 158 158 159 159 160 161

4.9. Flußempfindliche Wiedergabeköpfe 4.9.1. Allgemeines Arbeitsgeschwindigkeit Frequenzeinfluß Wellenlängeneinfluß Vergleich mit modulierten Verfahren Allgemeine Vorteile

162 162 162 162 162 162 164

IV

Inhaltsverzeichnis 4.9.2. Sondenköpfe Wirkungsweise Aufbauprinzipien Fluß- und Spannungsverlauf Betriebsbedingungen Magnetische Brücke Kopf f ü r hochdichte Speicherung Störabstand Mehrspuranordnungen Allgemeine Eigenschaften 4.9.3. HALL-Köpfe HALL-Effekt Eigenschaften von HALL-Materialien HALL-Element im rückwärtigen Spalt HALL-Element als Spalteinlage Betriebsdaten 4.9.4. Köpfe mit bewegten freien Elektronen Ablenkung schneller Elektronen Ablenkung in einer Elektronenwolke Unmittelbare Ablenkung von Elektronen Rasterung der Videoaufzeichnung 4.9.5. Magneto-optische Wiedergabe F A K A D A Y-Effekt und magnetischer KERR-Effekt Magnetkopf mit Ausnutzung des F A B A D A Y-Effektes Direkte Wiedergabe mit magneto-optischen Effekten 4.10. Literatur ' Sachverzeichnis

165 165 166 166 168 169 170 170 171 171 171 171 172 172 173 174 175 175 176 177 177 178 178 178

179 179 184

1. Informationstheoretische Grundlagen V o n H O E S T VÖLZ

1.0. Einleitung Besonders in den letzten Jahrzehnten nahmen die Kenntnisse von unserer Umwelt und das Wissen, wie sie zu verändern ist, sehr schnell zu. Hierdurch hat auch der eng damit zusammenhängende Begriff der Information eine scharf umrissene Form angenommen, und es konnte eine allgemeine Informationstheorie entstehen. Sie erklärt die theoretischen Grundlagen der Informationsübertragung, -Verarbeitung und -speicherung. Die hier vor allem interessierende Informationsspeicherung hat dafür zu sorgen, daß die Kenntnisse von und das Wissen um unsere Umwelt auch außerhalb unseres Gehirns aufzubewahren und dennoch ständig verfügbar sind. So kann unser Gehirn teilweise vom „Auswendiglernen" zugunsten komplizierter „Denkarbeit" entlastet werden. Die Informationsübertragung soll es ermöglichen, vorhandene Informationen schnell an beliebige, gewünschte Orte zu vermitteln. Vielfach geschieht dies, indem materiell gespeicherte Informationen (Bücher, Akten usw.) versandt werden. Weitaus wirkungsvoller ist es jedoch, die Information bei der Übertragung an energiearme, aber dafür vergängliche Signale (z. B. elektromagnetische Wellen) zu binden. Sie ermöglichen nämlich eine wesentlich schnellere Kommunikation. Diese eigentliche Informationsübertragung aber muß ihre Information aus einem Speicher entnehmen und vielfach am Empfangsort wieder einem Speicher zuführen. Die Informationsverarbeitung dient ebenfalls zur Entlastung unseres Gehirns, allerdings von einfacher, routinemäßiger Denkarbeit. Mittels vorgegebener (gespeicherter) Algorithmen werden aus vorhandenen (gespeicherten) Informationen neue Erkenntnisse erzeugt, die ebenfalls zu speichern sind. Die Informationsverarbeitung ist also als ständiges Wechselspiel zwischen Speichern interpretierbar. Hiernach tritt nur die Informationsspeicherung mit einer gewissen Selbständigkeit auf, und gleichzeitig stellt sie eine Grundlage für die Informationsübertragung und -Verarbeitung dar. Unter diesem Gesichtspunkt ist es erstaunlich, daß die Übertragung als Grundlage die Kommunikationstheorie besitzt, die Verarbeitung auf die Kybernetik zurückgreifen kann, während der Speicherung eine allgemeine Theorie fehlt. Sie wurde bisher auch kaum in den beiden anderen Disziplinen berücksichtigt [1] bis [3].

2

1. Informationstheoretische Grundlagen

1.1. Einteilung der Speicherung 1.1.1. D i m e n s i o n e n e i n e r I n f o r m a t i o n Alle physikalischen sinnvollen Informationen sind maximal Funktionen von drei Orts- und einer Zeitkoordinaten [1], [3], [4]. J e nach den wirksam ausgenutzten Dimensionen ist eine Unterscheidung gemäß Tabelle 1 möglich. Die wichtigste Form der Information ist hierbei das Signal, welches speziell als f(t) definiert sei. Aus verschiedenen physikalischen Gesetzen und der Praxis ist bekannt, daß es keine fortwährend extrem plötzlichen, zeitlichen oder örtlichen Änderungen gibt. Innerhalb endlicher Intervalle Ax, Ay, Az und At kann daher jede Funktion f(x,y, z, t) als Konstante betrachtet werden. Zu ihrer vollständigen Beschreibung genügen daher abzählbar viele Werte. Sie sind als zeitliche Folge, d. h. als Signal f(t) darstellbar. Diese Betrachtung entspricht einer Verallgemeinerung des Probensatzes (Sampling-theorem) und ist für die Speicherung von grundlegender Bedeutung. Die meisten Speicher reagieren nämlich auf Signale. Einige speichern endlich viele Festwerte (z. B. Matrixspeicher). Nur ganz wenige vermögen unmittelbar zweidimensionale Informationen aufzunehmen (Fotografie). Dreidimensionale Speicher sind kaum bekannt, lediglich Modelle könnten hierzu gerechnet werden [1]. 1.1.2. A u f z e i c h n u n g s v o r g a n g Ohne wesentliche Einschränkung kann die Information vor der Speicherung als Aufzeichnungssignal SA(t) betrachtet werden. Sie existiert zu diesem Zeitpunkt an irgendeine kinetische Energieform gebunden. Als bleibende, jederzeit verfügbare Information muß die Zeitabhängigkeit verschwinden. An ihre Stelle kann nur die Ortsabhängigkeit ZQ(%) treten. Die Speicherung muß deshalb mit Feldenergie oder Materie, also statischer Energie oder Strukturänderungen verknüpft sein. Dieser Übergang von SA(t) nach Z0(%) sei Aufzeichnungsvorgang genannt. E r ist abgeschlossen, sobald Z0(%) vorliegt. Die Transformation von der zeitabhängigen in die ortsabhängige Funktion benötigt als Transformationsparameter eine Geschwindigkeit, die zeit- oder ortsabhängig sein kann. Wird sie auf die Zeitabhängigkeit des Signals bezogen, so ist es günstiger, zu schreiben. Wird sie auf die Funktion Z 0 (j) bezogen, ist sinnvoll. Da die Geschwindigkeit aber gerade zwischen diesen Parametern (i und £) vermittelt, gilt die Differentialgleichung | = ö ( S ) = b(i).

(1)

1.1.3. S p e i c h e r z u s t a n d Beim Aufzeichnungsvorgang wird die Information ortsgebunden als Z0(%) mittels des Geschwindigkeitsvektors längs eines Weges verteilt. Dieser Speicherzustand soll möglichst unveränderlich, d. h. unabhängig von der Zeit sein. Vielfach treten jedoch unerwünschte, d. h. störende Änderungen ein. Ein

Dimension

Grundlagen

o

rH

Schalldruckverlauf an einem oder mehreren Mikrofonorten Ortsabhängigkeit der Schwärzung eines Bildes oder Stereobildpaares

zeitliche Änderung des Druck- und Temperatur- 1 Verlaufes in einer Dampfleitung

zeitliche Änderung von einem bis endlich vielen Werten

zweidimensionales Kontinuum von einem oder endlich vielen Festwerten

zeitliche Änderung eines eindimensionalen Kontinuums von einem oder endlich vielen Werten

u s nimmt die Anzahl der Amplitudenstufen logarithmisch mit steigender Spannung ab (logarithmische Amplitudenstufenverteilung). Hier ist die Grundstörung vernachlässigbar. Bei der Abszisse 2 m \uü\ = ug schneiden sich die Näherungsgeraden der linearen und logarithmischen Verteilung. Die Anzahl der linear 10°

10'

1010"'

10°

2m Ufr

101

10z

Abb. 6. Normierte Verteilung der Amplitudenstufen im doppelt-logarithmischen Maßstab

verteilten Amplitudenstufen ist danach aus Gl. (22) für 2 m |«„| = u„ berechenbar: In AS

n

Näherungen

für

linear

:

2 1+2» . , -4- 1 2m

o.as 0,35 'm.

. 1 h 1 für 2 m 1 (z - » 0) zeigt sich, daß alle möglichen Speicherzustände eine Energiedichte um 10~2... 10° Ws/cm 3 , also bei Zimmertemperatur 300 C K eine Speicherdichte um 1020 bit/cm 3 besitzen [27]. Nur die chemischen, strukturellen und atomischen Speicher ermöglichen auf Grund der Energie z. T. wesentlich höhere Dichten.

28

1. Informationstheoretische Grundlagen

Hier bildet jedoch die Anzahl der Atome die Grenze. Ist je Atom ein bit speicherbar, so schätzte schon C A M B A S die Grenze auf 1 0 2 3 bit/cm 3 ab [ 1 4 ] . Der mögliche Gewinn solcher Speicher beträgt also zumindest theoretisch nur 1000. Dieser Faktor ist vernachlässigbar, sobald die theoretische Grenze der normalen Verfahren von ca. 10 20 bit/cm 3 mit dem zur Zeit besten technischen Wert des Magnetbandspeichers von ca. 107 bit/cm 3 verglichen wird. 1015 Wsan' 3~

- Theoretische Substanzen

10

13

10

aufßrund

\W 10'°

-

für dm' 3

der E I N S T E I N sehen

Energie

n

n

Grenze

der Dichte 1kg -Masse-Relation

- Praktische ßrenze noch R JORDAN für die Ausnutzung der Energie Masse-Relation

109

10s

Kernbrennstoffe

107

10s Laser-Fokus

J

10 s 10* ! Hochbrisanter

•IO 1

Akkumulator

Sprengstoff

10 z Supraleiter

—

Feld von Elektromagneten Kristall-Anisotropie Magnetische ßrenze Dauermagnete

T

~

J Chemische

10

] Laser-Kristalle

•1

w

, ßrenze y-Fei

10'* 03

u r n p

-

Werke

!

IO' Magnetbänder

^p

Speicher

10-' J

Brennstoffe

Technische

Kondensatoren

3

Luftkondensator

IO' 5 10' 6

statische Speicher

mit

dünnen Schichten oder Ferritkernen

io- 7 10's

Abb. 13. Leiter der Energiedichte nach FBITSCHER [25] mit eigenen Ergänzungen

1.3.4. P r o b l e m e der m a g n e t i s c h e n S p e i c h e r d i c h t e Die aus einem magnetischen Kreis maximal entnehmbare Energie ist durch das Energieprodukt B0 H0 gegeben. Hieraus ergibt sich auch die Energiedichte F

39

1.4. Anwendung der Informationstheorie

Mit den Näherungen (62 a) (62 b) (62 c)

lnl/^iwl/^- 1 " P

' P

folgt die auswertbare Lösung P

, VF ' (nAS ~ l)2

(63)

4 ml

Für rjr = 0,6 und nAS = 2 zeigt Abb. 23 die Auswertung. Beim Standardband ergeben sich um 1000 Spuren und Spurhöhen um einige ¡i,m. Der Gewinn gegenüber der Vollspurspeicherung errechnet sich daraus zu Werten zwischen 100 und einigen 1000 [47].

mg-002

-

¿0* 005 2

ßf

— nAS

/ 1 01 2

2 3 4 5 7 10 1 5

2

5

103 2

MnAs) 1 0A 022 Q1i 008 w 104 2

5 W5

(W— Abb. 23. Relative Kanalkapazität als Funktion des Störabstandes mit dem Störmodulationsgrad als Parameter

1.4.7. E i n f l u ß von F r e q u e n z g ä n g e n Die magnetische Speicherung besitzt eine starke Frequenzabhängigkeit des Störabstandes. Sie ist zumindest näherungsweise mit der Bandflußdämpfung & = 01 und &Q2 konstante Werte des Bandflusses i>, eine experimentell zu bestimmende (charakteristische) Wellenlänge X des Magnetbandes und l die wirksame Spaltweite des Wiedergabekopfes. Für die induktive Wiedergabe bei der Geschwindigkeit v lautet dann mit der Konstanten K die frequenzabhängige Wiedergabespannung U

w

sin

n l

f

^f

( f ) = K f ^ j j ~ e » .

(66)

V

Für ein unentzerrtes Magnetbandgerät ist dieser Zusammenhang in Gl. (22) für die Amplitudenstufen einzusetzen: U

0 2 m

l

a

( f )

~ r T ~

und die Kanalkapazität würde sich gemäß (7 =

2

f l b

n

A S

( f ) d f

(68)

Sun

berechnen lassen. Dieser Weg führt zu großen mathematischen Schwierigkeiten. Deshalb hat S t r a u b e l [49] Gl. (67) für m = 0,1 innerhalb des praktisch notwendigen Bereiches mit einem Fehler von ± 25% durch die Funktion

[u

1 °>22

~ - 9 ( f ) \

(

6

9 )

genähert. Die so erhaltenen Ergebnisse zeigen unter anderem, daß bei den jetzigen Bändern im wesentlichen die Bandfußdämpfung nach Gl. (64) die Kanalkapazität begrenzt und erst wesentlich später die Spaltfunktion einen Einfluß hat. In der Arbeit wurde weiter gefunden, daß durch die Wiedergafoeent^errung die Kanalkapazität zusätzlich sinkt. 1.5. Probleme der Zugriffszeit und Übertragungsfrequenz 1.5.1. E i n - u n d A u s g a b e v o n I n f o r m a t i o n e n Jeder Speicher kann nach 1.2. als Übertragungsvierpol betrachtet werden. Er besitzt dadurch eine obere Grenzfrequenz für denAufzeichnungs- und Wiedergabevorgang. I m Gegensatz zu sonstigen Vierpolen ist es durch den eingeschobenen Speicherzustand jedoch möglich, die Grenzfrequenzen des Aufzeichnungsund Wiedergabe Vorganges abweichend zu wählen. Dies erfolgt einfach, indem

1.5. Probleme der Zugriffszeit und Übertragungsfrequenz

41

beide Geschwindigkeiten v A und vw bewußt unterschiedlich gewählt werden. Ihr Verhältnis wird dann häufig als Transponierungsfaktor H bezeichnet [50], [51]. Mit der Aufzeichnungs- und .Wiedergabefrequenz f A bzw. f w gilt „ Ii

vw

fw

Va

(A

(70)

= — = y- .

Dieser Zusammenhang ist für die Informationstechnik von großer Wichtigkeit. Die verschiedenen Informationssysteme besitzen nämlich sehr unterschiedliche Informationsflüsse (Abb. 24). Sie können ökonomisch miteinander nur arbeiten, wenn ein Pufferspeicher mit unterschiedlichem Informationsfluß für' Ein- und Ausgang zwischengeschaltet wird [1]. Es möge z. B. ein Fernschreiber mit einer Geschwindigkeit von 50 bit/s über eine Leitung, die 1000 bit/s zuläßt, betrieben werden. Sie wäre dadurch nur zu 1/20 ausgenutzt. Wird dagegen, zunächst bit/s ein Magnetbandgerät angeschaltet, so nimmt es die schnelle Zeichenfolge auf Mensch Digitale Übertragungs-10 Speicher kanäle und gibt sie später mühelos langsamer an den Schreiber. Von einer Leitung Sehen 10" können so viele Fernschreiber versorgt (formal). werden. Wesentlich schwerwiegender ist der Fernsehen Unterschied in dem von Menschen- zu erzeugenden bzw. aufzunehmenden Infor-10' mationsfluß und den technischen ForPlatten derungen und Möglichkeiten. Sie sind Trommeln -W durch die extremen Informationsflüsse X UKW bei der Nachrichtenübertragung, auto\ Mittelwelle matischen Meßtechnik, elektronischen 10 MagnetHören Rechentechnik usw. bedingt. Demgegenbänder J Fernsprechen über ist die automatische Zeichen•10* -r erkennung nur in den Ansätzen gelöst. Lochstreifen Deshalb muß der „langsame" Mensch (Lesen) Fernschreiben -10 insbesondere bei Eingaben, immer wieder . mitwirken. Durch mangelhafte OrganiLochslreic/ien Lesen sation erfolgt dies z. Z. sogar öfter als (Stamen) Vorlesen -10' notwendig. T Bewußt Ein Manuskript wird z. B. zunächst verorbeitbar 1 10 diktiert oder mit der Hand, dann mit der Schreibmaschine geschrieben und 10 danach gesetzt oder in einen Lochstreifen Lernen umgeformt, der die Setzmaschine steuert. Für die Referateorgane oder die Über10" nahme in andere Sekundärliteratur vollAbb. 24. Leiter verschiedener zieht sich dann erneut derselbe Vorgang. Informationsflüsse 10

3

s

1

42

1. Informationstheoretische Grundlagen

Bei einem Buch, das mittels Lochstreifen gesetzt vorliegt, wird das Sachregister nicht etwa aus dem Lochstreifen, sondern wieder von H a n d angefertigt. Die volle Anwendung der schon vorhandenen Technik wird häufig durch subjektive Vorbehalte erschwert, da z. B. die Daten auf dem Magnetband nicht direkt lesbar sind. Aber auch hier zeichnen sich wertvolle Entwicklungen ab. So gibt es schon heute Anlagen, welche die jeweils neuesten Ergebnisse per Anruf akustisch reproduzieren. 1.5.2. Z u s a m m e n s e t z u n g d e r Z u g r i f f s z e i t Jeder Speicher ist im wesentlichen durch die speicherbare bit-Zahl N und die Zugriffszeit Tt gekennzeichnet. Erwähnt wurde die Zugriffszeit bereits in 1.2.5. Den Zusammenhang zwischen bit-Zahl, Speicherdichte und Zugriffszeit zeigt Abb. 25. Sie setzt sich aus drei Zeitanteilen zusammen [1], [52], [53]:

10° 10' Abb. 25. Zusammenhänge der Zugriffszeit gegenüber der speicherbaren bit-Zahl (a) und der^Speicherdichte (b)

Die Totzeiten T0 treten bei jeder Informationswiedergabe auf. Sie sind unabhängig von der bit-Zahl und Speicherdichte und etwa konstant. Sie beruhen ausschließlich auf technisch konstruktiven Merkmalen des Speichers. Sie können daher in den folgenden Betrachtungen außer acht gelassen werden. Die Suchzeiten Tw sind die mittleren Wiedergabezeiten in einer bereits gewählten Spur (Magnetband, -trommel, -platte, -karte). Sie schwanken statistisch zwi-

1.5. Probleme der Zugriffszeit und Übertragungsfrequenz

43

sehen 0 und einem Maximalwert (Umlaufzeit der Trommel, Wiedergabezeit des gesamten Magnetbandes). Ist X die Länge der Spur und vw die Geschwindigkeit in der Spur, so gilt (70)

=

Für die Vorwahlzeiten Tv gilt analog ähnliches. Nur erfolgt hier keine Wiedergabe. Ein Magnetkopf kann zufällig an der richtigen Stelle oder extrem falsch stehen. Wird er mit der Geschwindigkeit vv bewegt und ist der Weg zwischen den extremsten Spuren 2 L, so gilt Tv = £ R .

(71)

Es läßt sich zeigen, daß durch geschickte Kombination dieser drei Anteile für jede Anwendung ein optimaler Kompromiß für die Zugriffszeit erreichbar ist. Es lassen sich dabei hauptsächlich die lineare Wiedergabe, die einfache und die gestaffelte Ortsvorwahl unterscheiden [53]. 1.5.3. L i n e a r e W i e d e r g a b e Es möge ein Magnetband der Länge X vorliegen, und es möge nur in einer Längsspur die Aufzeichnung und Wiedergabe erfolgen. Für jedes bit werde dabei die Länge x benötigt, so daß insgesamt n = Xjx bit speicherbar sind. Erfolgt die Wiedergabe mit der Geschwindigkeit vw, so berechnet sich die Zugriffszeit nach Gl. (70) zu (72)

=

H a t das Band die Breite Y und Dicke Z, so ist sein Volumen V durch das Produkt XYZ gegeben. Das pro bit notwendige Volumen xYZ ist als Würfel mit einer Kantenlänge x+ interpretierbar. Es gilt x+ = ax

mit

a = y

.

(73)

Für eine normierte Zugriffszeit gilt daher 1 =

^

=

x+

v(74)

a

'

Die Speicherdichte als reziprokes Volumen je bit berechnet sich damit zu _

s=

N

_

V

—

1 X

YZ

_

1

=

(75)

Für die Zugriffszeit bei konstanter bit-Zahl N ergibt sich daher T ,1 = ~ • . 2 a vw s l>

v(76)

'

Sie nimmt mit wachsender Geschwindigkeit und geringer mit wachsender Speicherdichte ab. Gemäß Gl. (75) ist das für konstantes N notwendige Volumen reziprok zur Speicherdichte.

44

1. Informationstheoretische Grundlagen

Anders werden die Relationen, wenn statt auf die bit-Zahl auf das Volumen bezogen wird: V

s'l»

Dann wächst die bit-Zahl mit s (Gl. (75)), und die Zugriffszeit nimmt schwächer mit s'!' zu. Der Einfluß der Wiedergabegeschwindigkeit ist unverändert. Beim flächenhaften Speicher wird je bit ein Rechteck der Abmessungen x und y benötigt. Aus diesem Grunde sind X/x Spuren in «/-Richtung oder Y/y Spuren in »-Richtung möglich. Sie können mit der Geschwindigkeit vw der Reihe nach zeilenweise durchlaufen werden. Beim räumlichen Speicher ist dieser Vorgang in die z-Ebene fortzusetzen. Die vorangegangenen Betrachtungen gelten dann automatisch und ohne wesentliche Änderung auch für diese Fälle. 1.5.4. E i n f a c h e O r t s v o r w a h l Es sei ein Speicher mit N bit Nutzinformation gegeben. Die Wiedergabe von Informationen erfolgt jeweils in Gruppen zu P bit. I m Speicher existieren daher n = N/P Anfangsorte. Zur eindeutigen Kennzeichnung jedes Anfangsortes und damit zu seiner direkten Anwahl sind dann mindestens ld n bit notwendig. Zur direkten Anwahl aller Anfangsorte sind also insgesamt n ld n bit zusätzlich zu speichern. Mit der schon eingeführten Länge der 1-bit-Zelle x+ gilt für das Gesamtvolmen des Speichers F

g

e

s

=

^


L m + B m (60) mit ne o + ( v A 2 IihV Lm(w) = J ^ s U J U J * ineo + M2 + /M2 n, \n, ß10} v10/

und

* n,

(60a)

n eo = 777- n \ T n e o ft \ 2 \/7,

Mio)

/ « w ~ ^ ¡ ^ (ßzy ii» n t ß10

•

(60b)

Wo/

Die angegebenen Näherungen gelten für /¿10

§11- ° < l 6

und

^ < 1 . (¿10

(60c)

Messung der Verlustanteile I m imaginären Teil enthalten:

der komplexen Permeabilität sind zwei Verlustanteile

1. die Hysteresisverluste als frequenzunabhängiger Anteil, 2. die Wirbelstromverluste als frequenzproportionaler Anteil (vgl. Gl. (43)). Zusätzliche Wirbelstromverluste können in einer leitenden Spaltfolie entstehen. Mit dem frequenzunabhängigen Kupferwiderstand der Spule gilt daher für den Verlustwiderstand des Kopfes als gute Näherung Rm{rn) = R 0 + o) B 1 + co2 R 2 .

(61)

Er kann entsprechend Abb. 25 das Hundertfache des Kupferwiderstandes betragen, während der Blindwiderstand sich meist nur um 30 bis 40% ändert. 10

Grundlagen

132

4. Magnetköpfe Abb. 25. Verlustwiderstand und Induktivität von drei Magnetköpfen in Abhängigkeit von der Frequenz, bezogen auf den Kupferwiderstand und die Induktivität für cd-»•(), (1) Alfenol-Studiowiedergabekopf; (2) HalbspurHeimgerätekopf; (3) großer Studio-Ringkopf

100

10 •

¿9

Die drei Verlustanteile können durch Widerstandsmessungen bei Gleichstrom i?0 u n d bei zwei Frequenzen ii m (oj 1 ) und Rm(co2) getrennt werden:

f/Hz

0.8

Rm(2) - Ro |

S m ((o j) — R0

C02 (62)

Frequenzgang des

Wirkungsgrades

Die Gleichungen (60 a) und (60 b) sind nach f i j f ^ 0 u n d ia2/la10 auflösbar. Werden die Ergebnisse in Gl. (39) eingesetzt, so folgt nm(a) m0 Berücksichtigung

L„n( t >

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53

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4. Magnetköpfe

136 Mit f]m = 1 !

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Grundlagen

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