看視盤機電路圖的基礎知識

第一節??? 數字音頻信號處理原理
CD、VCD、DVD視盤機都是數字信號處理器，VCD和DVD在數字信號處理的基礎上，還要進行數據壓縮。本節討論數字音頻信號處理的基本原理，它是各種視盤機的理論基礎。

一、模擬信號的數字化
在處理數字化音頻信號時，編碼過程中需要把模擬信號轉變為數字信號，然后進一步加工處理；解碼過程中則需要把數字信號轉變為模擬信號。解碼是編碼的逆過程，編碼過程主要進行信號的取樣、量化和數字編碼等處理。
1、取樣
所謂“取樣”，是將具有連續波形的信號按一時間間隔Ts(稱取樣周期),取得脈沖性信號,即將圖2.1.1(a)所示信號波形,轉變為2.1.1(b)之信號波形。此時所得脈沖波形稱為PAM信號（脈沖幅度調制信號）。

理論證明：取樣信號的取樣頻率fs（Ts周期的倒數）應為該模擬信號上限頻率的2倍以上，才能確保解碼重放時得到不失真的復原；若取樣頻率fs值過低，在重放信號時將發生頻率重疊效應，即取樣頻譜與被取樣頻譜出現重疊頻率區。如果這樣對音頻信號進行取樣的話，音頻取樣信號的頻譜將與原音頻信號頻譜發生混疊區，它將造成在重放該聲音時會引入干擾。
模擬音頻信號的上限頻率取20kHz，在數字音頻技術中，取樣頻率fs應大于該值2倍以上。經研究選取fs=44.1kHz。若取樣頻率取該值，則重放聲音信號的最高頻率允許達到22kHz，這對提高聲音的保真度非常有利。為了防止發生頻率重疊現象，在數字信號處理系統的輸入端、輸出端，經常設置上限頻率為20kHz的低通濾波器，輸出端濾波器還兼有平滑濾波作用。
?? 2、量化?
所謂量化，是將取樣信號的電平（幅度）分級取整的過程。如圖2.2.2所示。該模擬曲線的幅度分為4個等級。顯然，所取級數可多可少，在記錄時，所取級數越多，分得越仔細；在重放時恢復的模擬信號失真越小。若所取級數為N，為了便于進行數字處理，通常用公式N=2n? 來表示,其中n稱為量化位數,或稱量化比特數,可用bit為單位。可見，級數N受量化比特數n控制。在該圖中，取級數N=4，則可知n=2bit，即全部信號可用4種電平表示。在圖中，a、b和f的電平恰好位于量化電平位置，所用量化電平不會引起它們的誤差；而c、d、e的電平分別與量化電平有一些差別，用量化電平值表示它們時，都會產生一定誤差，這種誤差稱為量化誤差。要想減少量化誤差，應當提高n值(即N值)。實際上，量化誤差與模擬信號的頻率和數據字的長度有關系。
對實用的雙通道立體聲系統來說，CD唱機的取樣頻率fs＝44.1kHz，量化比特率取n=16。根據數字音頻理論，可以計算每秒鐘所傳送、處理數碼的數目，并稱之為碼率，或稱為信道比特率，而且碼率R＝mnfs。其中m是傳送通道數目，這里m=2。代入上式，可知碼率R＝2*16*44.1k＝1.4112M（bit/s）。對其中每個聲道來說，其碼率為上述值的一半，即每秒鐘傳送705.6kbit（位）數碼。該碼率可以折算為數字電路所需通頻帶寬度，一般電路帶寬取△B＝（0.5~1）R，則可知電路帶寬約1.4MHz。由于音頻信號還要經過EFM調制等處理過程，實際傳送信號的碼率需要增加到4.3218M/bit/s。
3、編碼
經過量化處理的脈沖信號仍不是數碼信號，它屬于PAM信號。然后，要對各脈沖信號的電平值使用二進制數碼表示，即用0、1或者高、低電平的數目來表示。在圖2.1.2，已將4個整數電平值使用0、1兩種數碼排列的數字表示了，這種二值化數碼信號才是數字信號。數字信號系統是處理、傳輸按照二進制數碼排列的數字脈沖信號的電路。這種規格的信號稱為PCM信號（脈沖編碼調制信號）。數字信號系統專門處理這類信號。
CD對左右雙聲道信號進行取樣、量化和編碼，將左右兩路音頻數據信號串接在一起，取得一連串左、右聲道數據交替出現的數據流，并規定以左聲道數據流領先輸出，然后是右聲道數據流。在數字音頻電路輸出端，將第一組數據送往左聲道，將第二組數據送往右聲道，然后依次交替下去。

經研究得知，數字編碼信號的信噪比（S/N）與量化比特數n有關系，具體表示式為S/N＝6n+1.75≈6n(dB)。在一般線性量化情況下，該信噪比也基本上就是該數字音頻系統的動態范圍。一般取量化比特率n=16，可知系統的信噪比和動態范圍約為6*16＝96（dB）。該值遠遠超過各種模擬信號處理設備的數值。由式可知，n每增加1bit(比特)，信噪比和動態范圍約增加6dB。n值越大，重放效果越理想，原信號的失真越小，細節表現越清晰、柔和。但增加n值也使電路頻帶寬度加寬，傳輸碼率大大增加，技術難度增加，電路成本提高。

二、糾錯與檢錯

1、糾錯檢錯原因
在光盤制作過程中，經常發生隨機性誤碼或數碼丟失；盤面傷痕或缺損，也造成突發性誤碼。還有，使用光盤時，由于不慎也使盤面帶有指紋、油污或傷痕，也造成重放時產生錯誤數碼。這些情況將引起重放的信噪比變壞，甚至光盤無法使用。為了避免發生這些問題，應當采取措施，對那些隨機性錯誤和較長時間突發性錯誤，要進行檢查、糾正和補償。這種措施稱為糾錯檢錯技術，它可自動對錯碼進行糾正和補償，以便正常播放信號。

2、CIRC碼和糾錯原理
在光盤上記錄信號數據時，以幀為單位，進行交織處理。它可把光盤損傷等造成的群錯碼進行分解，可把成片的誤碼轉變為分散的單個誤碼，以便于使用奇偶校驗法來糾正誤碼。但在解調時，則應當對經過交織處理的數據進行解交織，將它們還原為原有數據串。在CD和VCD系統中，糾錯技術采用了CIRC和奇偶校驗碼，它能夠自動校正錯碼，進行相鄰量值之間的線性內插補正。CIRC碼是交叉交錯里德――索羅門碼的英語縮寫詞。

圖2.1.3是CIRC編碼原理示意圖。
通常，在記錄音頻信號時，取左右兩個聲道音頻信號的6個取樣點作為一幀，每一幀音頻信號又含有24個音頻字符，每個字符取為8 bit。在進行CIRC編碼之前，先將同一幀的24個音頻字符經過擾碼器處理，將相鄰字符打亂并隔離開，作交叉交錯變換，并將偶數取樣時間的字符延時兩幀。
經過變換、延時的PCM碼信號共進行兩次CIRC編碼，然后進行光盤記錄。PCM碼首先進入C2編碼器，對PCM碼進行第1次CIRC編碼。由于音頻位流發生位置變換，除最下方2線外，有的音頻字符的線位發生變化，已經不在原來同幀的位置了。經C2編碼器，由24個音頻字符增加了4個校驗碼，稱為Q碼（圖中用Q1、Q2、Q3、Q4表示），此時每幀已經變成28個音頻字符。經過第1次編碼后，除第1線外，各線數據進行了不同幀數的延遲，隨著線位數的增加，延時量也逐漸增加，各線位延時遞增數為4幀，可知，至第28個音頻字符的最下線位時，延時量已達108幀。于是，原來同一幀的音頻字符已經被分散到108幀范圍內相應的幀中。這些交錯、延遲字符被送到交錯延遲存儲器。然后，再將28個字符送到C1編碼器，進行第2次CIRC編碼。在這里又插入4個校驗碼，稱為P碼（圖中用P1、P2、P3、P4表示）。經第2次CIRC編碼后，每幀有32個音頻字符碼。此時再對各奇數的字符延遲1幀傳送，并把奇偶符號倒相輸出，最后以全新的數碼串順序和延遲幀數輸出。CIRC糾錯處理的核心是交織處理，它使用外設的或者內藏的集成RAM，由RAM進行數據交織處理，按照嚴格的規定格式對地址進行寫入/讀出，從而起到糾錯作用。C1和C2糾錯系統的差錯運算公式、糾錯方式相似，但兩者功能各有側重。當C1、C2糾錯良好地相結合后，由于其雙重校正作用，因而使糾錯能力大大提高，使重放數據的可靠性達到極高的程度。

3、幾種補錯方式
在重放系統中，通過有關電路和奇偶校驗可以發現有錯誤的數據。然后，可以通過以下3種方法對錯碼、漏碼予以補正。第1種是靜噪法。發現、識別差錯后，有關電路可使出現差錯的地方停止輸出數據，即用靜噪法掩蓋差錯。通常，靜噪法僅在連續發生差錯的地方使用，在糾錯過程中實行靜噪。第2種稱為保持前面字法，在重放系統內設置大容量RAM，它對傳送的數據進行一個短暫的連續記憶，當發現某個可疑數據時，RAM輸出最靠近它的前面的數據值來代替它。采用前面數據來代替可疑數據，可能存在一些誤差，但因傳輸碼率和數據量化比特率較高，一般這種誤差是可以忽略的。第3種是線性內插法。它是取差錯數據前面的數據和后面的數據的平均值，以該平均值代替誤碼。存在錯誤的數據，可近似認為與前一個數據以及后一個數據是連續線性變化的，這種糾錯方法的精度相當高。

三、EFM調制與解調
1.?1、采用EFM調制的原因
為了使伺服系統穩定的工作，應盡量減少信號的低頻分量和直流平均分量，并排除干擾，在對光盤記錄信號之前，需要進行EFM調制，它是8位~14位調制的英語縮寫詞。
用激光束向光盤寫入數據時，可在光盤敏感材料上刻出精細的軌跡。激光束通、斷可在盤面上形成相應的凹坑和凸面，它對應了一定規律的數碼。它規定：在激光束接通或斷開的瞬時，對應數碼1；而對應數字0不直接記錄在光盤上，但可由重放電路再生出來。數據流是由一列數碼0和1組合而成，都是相互或基本上相互交替出現的。但是也可能出現數碼連續為0或連續為1的情況，而這兩種極端情況將帶來一些不良影響。先看數碼連續為1的情況，此時激光束的通斷頻率最高。光盤凹坑的長度很短，甚至比凹坑的寬度還要短，致使激光束較長時間照射不到坑。頻繁的數碼1經過積分電路后，會產生變化的直流電平，可能引起伺服誤差信號的信噪比降低，使伺服系統工作不穩定。再看數碼連續為0的情況，此時凹坑過長，在較長時間內沒有出現數碼1，會使數字處理電路的壓控振蕩（VCO）工作不穩定，還將使伺服系統的跟蹤循跡性能變壞。當采用EFM調制技術后，可較好地克服以上矛盾，又能有效地把數據流完全轉到光盤上。

2.?2、EFM調制
對16位的數據進行EFM調制時，首先把它分為兩個8位的數據字，然后將兩個8位數據字分別送到8位~14位變換器，變為14bit的通道位信號。然后用通道位流在光盤上進行記錄。在EFM調制時遵守如下規定：在數據流的每一對數碼1之間，最少要有2數碼0，不能出現連續兩個1的情況；而最多不能超過10個數碼0。對于CD光盤來說，每個通道位的長度約占0.3μm，那么盤面的凹坑和凸面長度可以在0.9μm到3.3μm之間變化。經過上述處理的光盤，使信號的頻帶減小了，直流成分也減少了，凹坑和凸面的長度都大于軌跡的寬度，能夠保證光盤表面軌跡的連續性。數碼1可規律地出現，其間隔不會超過10個數碼0，可使數字信號處理電路的VCO電路穩定工作，提高了伺服誤差信號的信噪比。
經計算，在EFM調制前，每個8位二進制數碼從全0到全1，共有256種不同組合；而EFM調制后，每個14位二進制碼從全0到1可達到16384種不同的組合。顯然，前后兩者無法一一對應。但是，在上述16384種碼型當中，符合前述EFM調制規則的只有267種。我們選擇其中2個作為子碼同步信號S0和S1，它們分別是00100000000001和00000000010010的14位數碼，還有幾個數碼的碼型在后面進行處理時不易處理，最后取剩余的256個數碼，可恰好組成EFM轉換的對應碼。國際電工委員會已對256個轉換碼作出了具體的對應轉換規定。
經EFM調制輸出14個通道碼，在實際調制時，還要在兩個相鄰的14位通道碼之間插入3位附加碼，將此3位碼稱為耦合位或結合碼。插入結合碼對EFM調制具有重要意義。若一個14位數碼以1結尾，而下一個14位碼又以1開頭時，結合碼可確保前后兩個數碼1完全隔離開，以符合EFM調制規則。結合位在實際的數字解碼過程中沒有其它用途，可在解碼過程中識別出來，并逐位濾除掉。

3、EFM解調
EFM解調是EFM調制的逆處理。在編碼過程中，對模擬信號進行PCM編碼、CIRC編碼、EFM調制等數字化處理，將數字信號記錄在光盤上。在解碼過程中，則要進行EFM解調、反交錯、D/A轉換等處理，才能還原出所需的模擬信號。這些處理過程可以統稱DSP處理過程。
EFM解調時，需將串行輸入的EFM待解調信號進行串/并轉換，然后對每個并行的14位數據進行鎖存。這些信號包括256種數據組合和2種子碼同步信號，共計為258種組合。14位輸入數據經過14位-8位譯碼器，還原為8位數據信號。通常譯碼器采用程序邏輯矩陣。

四、CD數據信號

1、EFM數碼流的內容和順序
CD信號含有L、R兩聲道信號，各聲道將6個取樣數據合編為1幀。每個取樣數據是16位，在傳輸信號時，將它們分為高8位和低8位，都稱為符號或字符。于是，每幀數據是1幀=6（取樣數）×2（聲道符號數）×2（聲道）=24個聲音符號，而每個聲音符號都是8位數據。
為了達到誤碼糾錯的目的，在24個聲音符號基礎上需進行交織處理，又附加了4個C2糾錯符號，使得連續的誤碼變為分散的單個誤碼。在上述交織處理基礎上，再附加4個C1糾錯符號，以及1個表示曲目、時間和顯示數據的（C和D）符號。最后，每一幀數碼信號包含33個數據符號（尚未記入幀同步信號等）。
然后，還要對各幀的33個符號進行EFM調制，即將各個8位數據的符號轉變為14位數據的符號。于是每幀數據的位數也增加了。調制前每幀為33×8=264位數據，調制后每幀為33×14=462位數據。
此外，還要對每1個14位的字符附加3位的結合位，進行NRZ1（不歸零）調制，以便除去EFM調制后的直流成分。NRZ1調制就是在碼流中逢“1”則進行反向的數據調制。經過如此處理，使8位數據的聲音符號最后成17位數據。
經過EFM調制的各幀內，要設置幀同步信號，且同步信號占用24位，位于各幀數據最前端；其后面要連續用于控制和顯示的C和D符號，經EFM調制后，它已變成1個17位的符號；后面再連續聲音數據和糾錯符號，由于附加3位結合位，實際上是連接為24個17位的聲音數據符號和8個17位的糾錯符號；最后，還要加上3位低頻抑制位。這就是每幀數據信號的內容和連接順序，將以上各數據相加，可知每幀總計為588位數據。通常將EFM變換后的位稱作為通道位。每幀各種字符的連接順序，可見圖2.1.4。CD母盤記錄所采用的碼流即以上述通道位作記錄標準。

由于取樣頻率是44.1KHZ,一幀含有6個取樣數據，可知幀數為44.1/6=7.35(KHZ)，每個通道位相隔的時間，可稱為通道位周期T，可計算出T=1/(7.35K×588)≈230ns，而數據率則應為230ns的倒數，即7.35KHZ×588=4.3218MB/S(兆位/秒)，該頻率值經常稱為位時鐘頻率。對于播放時間為75分鐘的光盤來說，它所存儲的數據容量達到75(分)×60(秒)×4.3218MB/秒=19.5Gbit(千兆位)。制成CD唱片后，每聲道字符為17位,則兩個聲道的立體聲信號就為34位；若所存字符用字節(用byte)表示,則每張唱片存儲19500/34=573.5M字節(byte)。

2、EFM調制器的組成
利用EFM調制器可將上述各種信號編輯在一起，圖2.1.5是EFM調制器原理圖。由模數轉換器(A/D)送來的16位數據字符經CIRC編碼器，輸出24個8位的數據信息及1個8位的誤差檢驗用的奇偶符號到復合器。另外，由控制和顯示編碼來的8位數據也送到復合器,復合器將上述各符號按順序編組后送入調制器。同時送入調制器的信號還有24個通道位的幀同步信號及14個通道位的控制及顯示同步信號，后者是每98幀輸出2個同步碼型，它與每幀的幀同步信號不同。調制器把上述各符號及同步信號編碼后，以每幀588個通道位的串行序列輸出。

3、幀通道位的幀同步信號
幀同步信號有時簡稱同步信號。它用作每幀數據流的起始信號，用來識別待處理數據的起始點，它也用作光盤轉動速度控制電路的比較信號。幀同步信號不同于其它數據信息，是完全確定的24位數碼，即100000000001000000000010。
幀同步信號與控制信號、音頻數據信號、結合位、糾錯位等共同組成一個完整幀。24位的幀同步信號位于每幀588位的最前頭。該信號丟失或不良，將造成規律性很強的數據流完全混亂、錯誤。

五、子碼信號

1、子碼信號的結構
在重放數字信號時，除重放PCM數據信號外，還有子碼信號。該碼被置于緊接著幀同步信號的1個字節（即8位）的區域內，并逐位分別稱為P、Q、R、S、T、U、V、W，共占用8位，每位占用1bit。使用子碼后，可使CD唱機具有編程放音和各種顯示功能。為了便于取出并使用這些數據，以98幀為單位作子碼幀，即以98幀為一組，稱作子碼幀。上述子碼包括兩個方面信息，一方面是時間和控制信息，它由P、Q子碼提供；另一方面是圖像文字顯示信息，它們是由R～W提供。因子碼幀以98幀為一個重復周期，故子碼幀的重復頻率應為7.35KHZ/98=75HZ。子碼也要設置同步信號，置于子碼信號序列的開頭，并用S0、S1表示，它們共占用2位。

1、?時間信息和系統控制碼
子碼中的P碼是曲目的編輯信號，用于記錄樂曲開頭的位置。編碼的方法：在每首曲子開始的約2秒鐘時間置1，其余時間全都置0。采用P碼可以迅速準確地找到樂曲開頭的位置。用P碼進行選曲方便快捷，一邊使光頭快速送進，一邊檢出P碼。P碼沒有附加的誤差檢出符號CRIC，可靠性稍差。
子碼中的Q碼用途最大。Q碼是為使唱機具有更高級的功能而設置的，可進一步改善整機的操作性能。它記錄了播放曲目的時間及控制信號，它還附加了糾錯信號CRIC，可用來控制重放信號。在98幀98位的Q通道數據中，含有S0、S1兩位子碼同步信號；含有4位控制信號，它規定音頻信號傳輸通道數（2通道、4通道等）以及有無預加重，含有4位地址信號；含有9組8位信號，它們構成兩個4位一組的BCD碼，表示從00-99（最大）的數字，這72位數碼可以記錄曲目號數（TNO）、索引（X）、該曲子從開始計算的演奏時間（分、秒、幀）及累計演奏時間（分、秒、幀）等；最后16位是糾錯符CRIC。
在重放Q通道碼時，可在顯示屏上顯示曲目號和時間，還可以對任意曲目進行選取。選曲時，首先用重放的Q通道碼來確定激光頭的當前位置，計算從激光頭到待選曲目間所需移動的音軌數目，然后指令伺服系統執行音軌跳越跟蹤，直到能進行選取讀入的位置。這些動作都是由微處理器進行控制的。當激光頭到達目的音軌位置時，選曲動作宣告結束。

2、?圖形顯示（CDG）碼
在S0、S1子碼同步信號后面，有96個R～W符號。R～W子碼供顯示圖像、文字時使用。這些符號被分為4組，每24個符號為1組。每組都含有從R至W的6個通道，都是由6位符號數據組成。在每組24個符號中，前兩個6位數據是圖示選擇及命令，用于表征圖像信息記錄，它決定后面各符號的含義。
隨著激光數字技術的發展，子碼R～W的應用范圍進一步擴大，可用于CDV、CDG、CD-ROM顯示圖像、文字信息，可以在顯像管屏幕上顯示線路圖畫、電視圖畫。經計算，每張唱片可容納1500-2000幅具有多種輝度和顏色的文字和圖畫。利用子碼R～W構成的基面結構，可將它們組合或使活字移動，可將畫面重疊，可設計出各種各樣的利用方法。例如，可使文字從畫面左端出現，像走馬燈一樣，慢慢地消失在右端，使圖畫、文字沿橫、豎方向連續移動等等。利用上述圖示功能，即能由CD唱機播放歌聲和音樂，又能利用電視機屏幕顯示歌詞、解說詞或圖畫等，具有子碼圖示功能的唱片稱為CD-G唱片。為了利用R～W子碼，應當設置電視或液晶板等顯示裝置，還要設置子碼——文字圖像轉換電路。

六、左右聲道時鐘信號
左右聲道音頻信號均為16位數據信號，為了區別和標志聲道的類別，除了設置位時鐘、數據之外，還要設置左右時鐘（LRCK）信號。在傳輸數據時，先傳送左聲道數據，然后傳送右聲道數據，即兩聲道各取樣一次，交替取樣運行。利用左右時鐘信號可以分離開左右聲道信號，分別送往左右聲道獨立放大器。