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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)。
数字音频信号处理原理 http://www.elecfans.com

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。

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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。

CIRC编码原理示意图 http://www.elecfans.com

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

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