看视盘机电路图的基础知识

看视盘机电路图的基础知识

第一节    数字音频信号处理原理
CD、VCD、DVD视盘机都是数字信号处理器，VCD和DVD在数字信号处理的基础上，还要进行数据压缩。本节讨论数字音频信号处理的基本原理，它是各种视盘机的理论基础。

一、模拟信号的数字化
在处理数字化音频信号时，编码过程中需要把模拟信号转变为数字信号，然后进一步加工处理；解码过程中则需要把数字信号转变为模拟信号。解码是编码的逆过程，编码过程主要进行信号的取样、量化和数字编码等处理。
1、取样
所谓“取样”，是将具有连续波形的信号按一时间间隔Ts(称取样周期),取得脉冲性信号,即将图2.1.1(a)所示信号波形,转变为2.1.1(b)之信号波形。此时所得脉冲波形称为PAM信号（脉冲幅度调制信号）。

理论证明：取样信号的取样频率fs（Ts周期的倒数）应为该模拟信号上限频率的2倍以上，才能确保解码重放时得到不失真的复原；若取样频率fs值过低，在重放信号时将发生频率重叠效应，即取样频谱与被取样频谱出现重叠频率区。如果这样对音频信号进行取样的话，音频取样信号的频谱将与原音频信号频谱发生混叠区，它将造成在重放该声音时会引入干扰。
模拟音频信号的上限频率取20kHz，在数字音频技术中，取样频率fs应大于该值2倍以上。经研究选取fs=44.1kHz。若取样频率取该值，则重放声音信号的最高频率允许达到22kHz，这对提高声音的保真度非常有利。为了防止发生频率重叠现象，在数字信号处理系统的输入端、输出端，经常设置上限频率为20kHz的低通滤波器，输出端滤波器还兼有平滑滤波作用。
   2、量化 
所谓量化，是将取样信号的电平（幅度）分级取整的过程。如图2.2.2所示。该模拟曲线的幅度分为4个等级。显然，所取级数可多可少，在记录时，所取级数越多，分得越仔细；在重放时恢复的模拟信号失真越小。若所取级数为N，为了便于进行数字处理，通常用公式N=2n  来表示,其中n称为量化位数,或称量化比特数,可用bit为单位。可见，级数N受量化比特数n控制。在该图中，取级数N=4，则可知n=2bit，即全部信号可用4种电平表示。在图中，a、b和f的电平恰好位于量化电平位置，所用量化电平不会引起它们的误差；而c、d、e的电平分别与量化电平有一些差别，用量化电平值表示它们时，都会产生一定误差，这种误差称为量化误差。要想减少量化误差，应当提高n值(即N值)。实际上，量化误差与模拟信号的频率和数据字的长度有关系。
对实用的双通道立体声系统来说，CD唱机的取样频率fs＝44.1kHz，量化比特率取n=16。根据数字音频理论，可以计算每秒钟所传送、处理数码的数目，并称之为码率，或称为信道比特率，而且码率R＝mnfs。其中m是传送通道数目，这里m=2。代入上式，可知码率R＝2*16*44.1k＝1.4112M（bit/s）。对其中每个声道来说，其码率为上述值的一半，即每秒钟传送705.6kbit（位）数码。该码率可以折算为数字电路所需通频带宽度，一般电路带宽取△B＝（0.5~1）R，则可知电路带宽约1.4MHz。由于音频信号还要经过EFM调制等处理过程，实际传送信号的码率需要增加到4.3218M/bit/s。
3、编码
经过量化处理的脉冲信号仍不是数码信号，它属于PAM信号。然后，要对各脉冲信号的电平值使用二进制数码表示，即用0、1或者高、低电平的数目来表示。在图2.1.2，已将4个整数电平值使用0、1两种数码排列的数字表示了，这种二值化数码信号才是数字信号。数字信号系统是处理、传输按照二进制数码排列的数字脉冲信号的电路。这种规格的信号称为PCM信号（脉冲编码调制信号）。数字信号系统专门处理这类信号。
CD对左右双声道信号进行取样、量化和编码，将左右两路音频数据信号串接在一起，取得一连串左、右声道数据交替出现的数据流，并规定以左声道数据流领先输出，然后是右声道数据流。在数字音频电路输出端，将第一组数据送往左声道，将第二组数据送往右声道，然后依次交替下去。

       

采样脉冲的量化

经研究得知，数字编码信号的信噪比（S/N）与量化比特数n有关系，具体表示式为S/N＝6n+1.75≈6n(dB)。在一般线性量化情况下，该信噪比也基本上就是该数字音频系统的动态范围。一般取量化比特率n=16，可知系统的信噪比和动态范围约为6*16＝96（dB）。该值远远超过各种模拟信号处理设备的数值。由式可知，n每增加1bit(比特)，信噪比和动态范围约增加6dB。n值越大，重放效果越理想，原信号的失真越小，细节表现越清晰、柔和。但增加n值也使电路频带宽度加宽，传输码率大大增加，技术难度增加，电路成本提高。

二、纠错与检错

1、纠错检错原因
在光盘制作过程中，经常发生随机性误码或数码丢失；盘面伤痕或缺损，也造成突发性误码。还有，使用光盘时，由于不慎也使盘面带有指纹、油污或伤痕，也造成重放时产生错误数码。这些情况将引起重放的信噪比变坏，甚至光盘无法使用。为了避免发生这些问题，应当采取措施，对那些随机性错误和较长时间突发性错误，要进行检查、纠正和补偿。这种措施称为纠错检错技术，它可自动对错码进行纠正和补偿，以便正常播放信号。

2、CIRC码和纠错原理
在光盘上记录信号数据时，以帧为单位，进行交织处理。它可把光盘损伤等造成的群错码进行分解，可把成片的误码转变为分散的单个误码，以便于使用奇偶校验法来纠正误码。但在解调时，则应当对经过交织处理的数据进行解交织，将它们还原为原有数据串。在CD和VCD系统中，纠错技术采用了CIRC和奇偶校验码，它能够自动校正错码，进行相邻量值之间的线性内插补正。CIRC码是交叉交错里德――索罗门码的英语缩写词。

图2.1.3是CIRC编码原理示意图。
通常，在记录音频信号时，取左右两个声道音频信号的6个取样点作为一帧，每一帧音频信号又含有24个音频字符，每个字符取为8 bit。在进行CIRC编码之前，先将同一帧的24个音频字符经过扰码器处理，将相邻字符打乱并隔离开，作交叉交错变换，并将偶数取样时间的字符延时两帧。
经过变换、延时的PCM码信号共进行两次CIRC编码，然后进行光盘记录。PCM码首先进入C2编码器，对PCM码进行第1次CIRC编码。由于音频位流发生位置变换，除最下方2线外，有的音频字符的线位发生变化，已经不在原来同帧的位置了。经C2编码器，由24个音频字符增加了4个校验码，称为Q码（图中用Q1、Q2、Q3、Q4表示），此时每帧已经变成28个音频字符。经过第1次编码后，除第1线外，各线数据进行了不同帧数的延迟，随着线位数的增加，延时量也逐渐增加，各线位延时递增数为4帧，可知，至第28个音频字符的最下线位时，延时量已达108帧。于是，原来同一帧的音频字符已经被分散到108帧范围内相应的帧中。这些交错、延迟字符被送到交错延迟存储器。然后，再将28个字符送到C1编码器，进行第2次CIRC编码。在这里又插入4个校验码，称为P码（图中用P1、P2、P3、P4表示）。经第2次CIRC编码后，每帧有32个音频字符码。此时再对各奇数的字符延迟1帧传送，并把奇偶符号倒相输出，最后以全新的数码串顺序和延迟帧数输出。CIRC纠错处理的核心是交织处理，它使用外设的或者内藏的集成RAM，由RAM进行数据交织处理，按照严格的规定格式对地址进行写入/读出，从而起到纠错作用。C1和C2纠错系统的差错运算公式、纠错方式相似，但两者功能各有侧重。当C1、C2纠错良好地相结合后，由于其双重校正作用，因而使纠错能力大大提高，使重放数据的可靠性达到极高的程度。

3、几种补错方式
在重放系统中，通过有关电路和奇偶校验可以发现有错误的数据。然后，可以通过以下3种方法对错码、漏码予以补正。第1种是静噪法。发现、识别差错后，有关电路可使出现差错的地方停止输出数据，即用静噪法掩盖差错。通常，静噪法仅在连续发生差错的地方使用，在纠错过程中实行静噪。第2种称为保持前面字法，在重放系统内设置大容量RAM，它对传送的数据进行一个短暂的连续记忆，当发现某个可疑数据时，RAM输出最靠近它的前面的数据值来代替它。采用前面数据来代替可疑数据，可能存在一些误差，但因传输码率和数据量化比特率较高，一般这种误差是可以忽略的。第3种是线性内插法。它是取差错数据前面的数据和后面的数据的平均值，以该平均值代替误码。存在错误的数据，可近似认为与前一个数据以及后一个数据是连续线性变化的，这种纠错方法的精度相当高。

三、EFM调制与解调
1. 1、采用EFM调制的原因
为了使伺服系统稳定的工作，应尽量减少信号的低频分量和直流平均分量，并排除干扰，在对光盘记录信号之前，需要进行EFM调制，它是8位~14位调制的英语缩写词。
用激光束向光盘写入数据时，可在光盘敏感材料上刻出精细的轨迹。激光束通、断可在盘面上形成相应的凹坑和凸面，它对应了一定规律的数码。它规定：在激光束接通或断开的瞬时，对应数码1；而对应数字0不直接记录在光盘上，但可由重放电路再生出来。数据流是由一列数码0和1组合而成，都是相互或基本上相互交替出现的。但是也可能出现数码连续为0或连续为1的情况，而这两种极端情况将带来一些不良影响。先看数码连续为1的情况，此时激光束的通断频率最高。光盘凹坑的长度很短，甚至比凹坑的宽度还要短，致使激光束较长时间照射不到坑。频繁的数码1经过积分电路后，会产生变化的直流电平，可能引起伺服误差信号的信噪比降低，使伺服系统工作不稳定。再看数码连续为0的情况，此时凹坑过长，在较长时间内没有出现数码1，会使数字处理电路的压控振荡（VCO）工作不稳定，还将使伺服系统的跟踪循迹性能变坏。当采用EFM调制技术后，可较好地克服以上矛盾，又能有效地把数据流完全转到光盘上。

2. 2、EFM调制
对16位的数据进行EFM调制时，首先把它分为两个8位的数据字，然后将两个8位数据字分别送到8位~14位变换器，变为14bit的通道位信号。然后用通道位流在光盘上进行记录。在EFM调制时遵守如下规定：在数据流的每一对数码1之间，最少要有2数码0，不能出现连续两个1的情况；而最多不能超过10个数码0。对于CD光盘来说，每个通道位的长度约占0.3μm，那么盘面的凹坑和凸面长度可以在0.9μm到3.3μm之间变化。经过上述处理的光盘，使信号的频带减小了，直流成分也减少了，凹坑和凸面的长度都大于轨迹的宽度，能够保证光盘表面轨迹的连续性。数码1可规律地出现，其间隔不会超过10个数码0，可使数字信号处理电路的VCO电路稳定工作，提高了伺服误差信号的信噪比。
经计算，在EFM调制前，每个8位二进制数码从全0到全1，共有256种不同组合；而EFM调制后，每个14位二进制码从全0到1可达到16384种不同的组合。显然，前后两者无法一一对应。但是，在上述16384种码型当中，符合前述EFM调制规则的只有267种。我们选择其中2个作为子码同步信号S0和S1，它们分别是00100000000001和00000000010010的14位数码，还有几个数码的码型在后面进行处理时不易处理，最后取剩余的256个数码，可恰好组成EFM转换的对应码。国际电工委员会已对256个转换码作出了具体的对应转换规定。
经EFM调制输出14个通道码，在实际调制时，还要在两个相邻的14位通道码之间插入3位附加码，将此3位码称为耦合位或结合码。插入结合码对EFM调制具有重要意义。若一个14位数码以1结尾，而下一个14位码又以1开头时，结合码可确保前后两个数码1完全隔离开，以符合EFM调制规则。结合位在实际的数字解码过程中没有其它用途，可在解码过程中识别出来，并逐位滤除掉。

3、EFM解调
EFM解调是EFM调制的逆处理。在编码过程中，对模拟信号进行PCM编码、CIRC编码、EFM调制等数字化处理，将数字信号记录在光盘上。在解码过程中，则要进行EFM解调、反交错、D/A转换等处理，才能还原出所需的模拟信号。这些处理过程可以统称DSP处理过程。
EFM解调时，需将串行输入的EFM待解调信号进行串/并转换，然后对每个并行的14位数据进行锁存。这些信号包括256种数据组合和2种子码同步信号，共计为258种组合。14位输入数据经过14位-8位译码器，还原为8位数据信号。通常译码器采用程序逻辑矩阵。

四、CD数据信号

1、EFM数码流的内容和顺序
CD信号含有L、R两声道信号，各声道将6个取样数据合编为1帧。每个取样数据是16位，在传输信号时，将它们分为高8位和低8位，都称为符号或字符。于是，每帧数据是1帧=6（取样数）×2（声道符号数）×2（声道）=24个声音符号，而每个声音符号都是8位数据。
为了达到误码纠错的目的，在24个声音符号基础上需进行交织处理，又附加了4个C2纠错符号，使得连续的误码变为分散的单个误码。在上述交织处理基础上，再附加4个C1纠错符号，以及1个表示曲目、时间和显示数据的（C和D）符号。最后，每一帧数码信号包含33个数据符号（尚未记入帧同步信号等）。
然后，还要对各帧的33个符号进行EFM调制，即将各个8位数据的符号转变为14位数据的符号。于是每帧数据的位数也增加了。调制前每帧为33×8=264位数据，调制后每帧为33×14=462位数据。
此外，还要对每1个14位的字符附加3位的结合位，进行NRZ1（不归零）调制，以便除去EFM调制后的直流成分。NRZ1调制就是在码流中逢“1”则进行反向的数据调制。经过如此处理，使8位数据的声音符号最后成17位数据。
经过EFM调制的各帧内，要设置帧同步信号，且同步信号占用24位，位于各帧数据最前端；其后面要连续用于控制和显示的C和D符号，经EFM调制后，它已变成1个17位的符号；后面再连续声音数据和纠错符号，由于附加3位结合位，实际上是连接为24个17位的声音数据符号和8个17位的纠错符号；最后，还要加上3位低频抑制位。这就是每帧数据信号的内容和连接顺序，将以上各数据相加，可知每帧总计为588位数据。通常将EFM变换后的位称作为通道位。每帧各种字符的连接顺序，可见图2.1.4。CD母盘记录所采用的码流即以上述通道位作记录标准。

由于取样频率是44.1KHZ,一帧含有6个取样数据，可知帧数为44.1/6=7.35(KHZ)，每个通道位相隔的时间，可称为通道位周期T，可计算出T=1/(7.35K×588)≈230ns，而数据率则应为230ns的倒数，即7.35KHZ×588=4.3218MB/S(兆位/秒)，该频率值经常称为位时钟频率。对于播放时间为75分钟的光盘来说，它所存储的数据容量达到75(分)×60(秒)×4.3218MB/秒=19.5Gbit(千兆位)。制成CD唱片后，每声道字符为17位,则两个声道的立体声信号就为34位；若所存字符用字节(用byte)表示,则每张唱片存储19500/34=573.5M字节(byte)。

2、EFM调制器的组成
利用EFM调制器可将上述各种信号编辑在一起，图2.1.5是EFM调制器原理图。由模数转换器(A/D)送来的16位数据字符经CIRC编码器，输出24个8位的数据信息及1个8位的误差检验用的奇偶符号到复合器。另外，由控制和显示编码来的8位数据也送到复合器,复合器将上述各符号按顺序编组后送入调制器。同时送入调制器的信号还有24个通道位的帧同步信号及14个通道位的控制及显示同步信号，后者是每98帧输出2个同步码型，它与每帧的帧同步信号不同。调制器把上述各符号及同步信号编码后，以每帧588个通道位的串行序列输出。

3、帧通道位的帧同步信号
帧同步信号有时简称同步信号。它用作每帧数据流的起始信号，用来识别待处理数据的起始点，它也用作光盘转动速度控制电路的比较信号。帧同步信号不同于其它数据信息，是完全确定的24位数码，即100000000001000000000010。
帧同步信号与控制信号、音频数据信号、结合位、纠错位等共同组成一个完整帧。24位的帧同步信号位于每帧588位的最前头。该信号丢失或不良，将造成规律性很强的数据流完全混乱、错误。

五、子码信号

1、子码信号的结构
在重放数字信号时，除重放PCM数据信号外，还有子码信号。该码被置于紧接着帧同步信号的1个字节（即8位）的区域内，并逐位分别称为P、Q、R、S、T、U、V、W，共占用8位，每位占用1bit。使用子码后，可使CD唱机具有编程放音和各种显示功能。为了便于取出并使用这些数据，以98帧为单位作子码帧，即以98帧为一组，称作子码帧。上述子码包括两个方面信息，一方面是时间和控制信息，它由P、Q子码提供；另一方面是图像文字显示信息，它们是由R～W提供。因子码帧以98帧为一个重复周期，故子码帧的重复频率应为7.35KHZ/98=75HZ。子码也要设置同步信号，置于子码信号序列的开头，并用S0、S1表示，它们共占用2位。

1、 时间信息和系统控制码
子码中的P码是曲目的编辑信号，用于记录乐曲开头的位置。编码的方法：在每首曲子开始的约2秒钟时间置1，其余时间全都置0。采用P码可以迅速准确地找到乐曲开头的位置。用P码进行选曲方便快捷，一边使光头快速送进，一边检出P码。P码没有附加的误差检出符号CRIC，可靠性稍差。
子码中的Q码用途最大。Q码是为使唱机具有更高级的功能而设置的，可进一步改善整机的操作性能。它记录了播放曲目的时间及控制信号，它还附加了纠错信号CRIC，可用来控制重放信号。在98帧98位的Q通道数据中，含有S0、S1两位子码同步信号；含有4位控制信号，它规定音频信号传输通道数（2通道、4通道等）以及有无预加重，含有4位地址信号；含有9组8位信号，它们构成两个4位一组的BCD码，表示从00-99（最大）的数字，这72位数码可以记录曲目号数（TNO）、索引（X）、该曲子从开始计算的演奏时间（分、秒、帧）及累计演奏时间（分、秒、帧）等；最后16位是纠错符CRIC。
在重放Q通道码时，可在显示屏上显示曲目号和时间，还可以对任意曲目进行选取。选曲时，首先用重放的Q通道码来确定激光头的当前位置，计算从激光头到待选曲目间所需移动的音轨数目，然后指令伺服系统执行音轨跳越跟踪，直到能进行选取读入的位置。这些动作都是由微处理器进行控制的。当激光头到达目的音轨位置时，选曲动作宣告结束。

2、 图形显示（CDG）码
在S0、S1子码同步信号后面，有96个R～W符号。R～W子码供显示图像、文字时使用。这些符号被分为4组，每24个符号为1组。每组都含有从R至W的6个通道，都是由6位符号数据组成。在每组24个符号中，前两个6位数据是图示选择及命令，用于表征图像信息记录，它决定后面各符号的含义。
随着激光数字技术的发展，子码R～W的应用范围进一步扩大，可用于CDV、CDG、CD-ROM显示图像、文字信息，可以在显像管屏幕上显示线路图画、电视图画。经计算，每张唱片可容纳1500-2000幅具有多种辉度和颜色的文字和图画。利用子码R～W构成的基面结构，可将它们组合或使活字移动，可将画面重叠，可设计出各种各样的利用方法。例如，可使文字从画面左端出现，像走马灯一样，慢慢地消失在右端，使图画、文字沿横、竖方向连续移动等等。利用上述图示功能，即能由CD唱机播放歌声和音乐，又能利用电视机屏幕显示歌词、解说词或图画等，具有子码图示功能的唱片称为CD-G唱片。为了利用R～W子码，应当设置电视或液晶板等显示装置，还要设置子码——文字图像转换电路。

六、左右声道时钟信号
左右声道音频信号均为16位数据信号，为了区别和标志声道的类别，除了设置位时钟、数据之外，还要设置左右时钟（LRCK）信号。在传输数据时，先传送左声道数据，然后传送右声道数据，即两声道各取样一次，交替取样运行。利用左右时钟信号可以分离开左右声道信号，分别送往左右声道独立放大器。