第三章激光唱机(CD机)的基本原理 第三章激光唱机(CD机)的基本原理 第一节数模转换 、模拟信号和数字信号 1.模拟信号 在时间和幅度上均为连续的信号。 舴点:精度低、范围小、易干扰 2.数字信号 利用电平有无这两个状态的多位组合来描述信号 舴点:抗干扰能力强、可靠性高、易于电路处理 、音频信号的AD、D/A转换 1.A/D—一模转换;DA——数模转换(见课本P26图3-1) 2.CD光盘的结构见课本P26图32) (1)同心圆直径 ①中心孔:15mm ②标牌:15~46mm ③引入区:46~50mm ④节目区:50~116mm ⑤引出区:116~117mm (2)信息面尺寸 ①光盘的厚度:1.2mm ②坑深:0.11um ③信息轨迹宽度:04μm ④轨迹间距:1.67um (3)光盘的构成层 读出面、透明的聚碳酸脂、铝反射层、保护层 D呀·对模拟信号进行数字化处理,信号不失真、不变形,可以得到较高的信噪比和高 保真 三、脉冲编码调制(PCM)
第三章 激光唱机（CD 机）的基本原理 - 1 - 第三章 激光唱机（CD 机）的基本原理 第一节 数模转换 一、模拟信号和数字信号 1．模拟信号 在时间和幅度上均为连续的信号。 特点：精度低、范围小、、易干扰 2．数字信号 利用电平有无这两个状态的多位组合来描述信号。 特点：抗干扰能力强、可靠性高、易于电路处理。 二、音频信号的 A/D、D/A 转换 1．A/D——模/数转换；D/A——数/模转换 (见课本 P26 图 3-1) 2．CD 光盘的结构 (见课本 P26 图 3-2) ⑴同心圆直径 ①中心孔：15mm ②标牌：15～46mm ③引入区：46～50mm ④节目区：50～116mm ⑤引出区：116～117mm ⑵信息面尺寸 ①光盘的厚度：1.2mm ②坑深：0.11μm ③信息轨迹宽度：0.4μm ④轨迹间距：1.67μm ⑶光盘的构成层 读出面、透明的聚碳酸脂、铝反射层、保护层 说明：对模拟信号进行数字化处理，信号不失真、不变形，可以得到较高的信噪比和高 保真。 三、脉冲编码调制（PCM）
第三章激光唱机(CD机)的基本原理 (见课本P28图3-3) 取样、(保持)、量化、编码 取样 对模拟信号每隔一定的时间间隔进行瞬时取值,用离散点来表示信号的波形,离散点称 为取样值。 取样要求满足奈奎斯特取样定理:fs≥2fB保证取样过程中不丢失信号。 fs为取样频率 iB为模拟信号的上限频率。 实所中,CD、VCD的取样频率fs=441Hz 2.量化 指利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程。 采用二进制数表示电平,2n个电平。n为量化比特数,n越大,量化误差越小 实中,CD、VCD采用16bit量化,共有216=65536个电平值 信噪比:SN=6n+18dB 若采用16bit量化,则信噪比为SN=6×16+18=978dB 3.编码 对量化后的在时间和幅度上都离散的信号进行二进制编码的过程,得到了PCM信号。 数据传输速率:量化比特数×抽样频率 实所中,CD采用16bt量化 数据传输速率=16bitx44KHz×2=7056Kbps×2=14112Mbps 园·①CD数字信号无压缩 ②双声道,每个声道7056KbpS。 第二节CIRC纠错原理 常用的几种纠错方法 1.纠错的原因 数字信号在传输和处理的过程中出现误码
第三章 激光唱机（CD 机）的基本原理 - 2 - (见课本 P28 图 3-3) 取样、（保持）、量化、编码 1．取样 对模拟信号每隔一定的时间间隔进行瞬时取值，用离散点来表示信号的波形，离散点称 为取样值。 取样要求满足奈奎斯特取样定理： fs≥2fB 保证取样过程中不丢失信号。 fs 为取样频率； fB为模拟信号的上限频率。 实际中，CD、VCD 的取样频率 fs＝44.1KHz。 2．量化 指利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程。 采用二进制数表示电平，2 n 个电平。n 为量化比特数，n 越大，量化误差越小。 实际中，CD、VCD 采用 16bit 量化，共有 2 16＝65536 个电平值。 信噪比：S/N＝6n＋1.8dB 若采用 16bit 量化，则信噪比为 S/N＝6×16＋1.8＝97.8dB 3．编码 对量化后的在时间和幅度上都离散的信号进行二进制编码的过程，得到了 PCM 信号。 数据传输速率：量化比特数×抽样频率 实际中，CD 采用 16bit 量化， 数据传输速率＝16bit×44.1 KHz×2＝705.6Kbps×2＝1.4112M bps 说明：①CD 数字信号无压缩； ②双声道，每个声道 705.6Kbps。 第二节 CIRC 纠错原理 一、常用的几种纠错方法 1．纠错的原因 数字信号在传输和处理的过程中出现误码
第三章激光唱机(CD机)的基本原理 2.纠错方法 在信息码的基础上,以一定规则额外添加一个或几个多余码元,使原来信息序列中部相 关的码元变成相关码元 然后将信息码元和多余码元一起记录,重放时按照同样的规则检验,发现误码则自动纠 3.常用的几种纠错方法 (1)奇偶校验 根据0、1的个数是奇数还是偶数来校验。 (2)循环冗余校验(CRC) 将所要记录的信息通过由移位寄存器和模2相加器组成的电路产生循环码,然后记录在 光盘上。重放时,将循环码除以生成多项式G(X),余式R(X)等于0,表明传输无错误; 反之,传输有误码。纠错时,将接收的码元与余式R(X)相加 (3)交叉交织、里德一索罗门码(CIRC) 、交叉交织、里德一索罗门码(CIRC 1.交叉交织 (1)交织法:记录时改变数字信号的顺序(交织),重放时按照原来的顺序重排(去交织)。 (2)交织原理:(见课本P29图3-4) 把数字信号按时间顺序分成组,再使各个组延迟一定的时间,然后调换顺序重新组合 记录在光盘上;重放时,按照原来的顺序重排 将群误码变成随机误码,容易纠错。 2.里德一索罗门编码 ()CIRC编码框图(见课本P30图35) 在CD唱机中,采用CIRC码和奇偶校验码。 CD信号在刻录之前,对PCM码进行二次CIRC编码,分别用C2、C1编码器实现。 (2)CIRC编码过程(见课本P3图3-6) ①PCM编码 取左右声道各6个取样点(左右声道每个取样点陌比特量化,各相当于2个字节)作为 帧音频信号,每帧24个音频字符(字节),每个字符8bts ②第一次CIRC编码
第三章 激光唱机（CD 机）的基本原理 - 3 - 2．纠错方法 在信息码的基础上，以一定规则额外添加一个或几个多余码元，使原来信息序列中部相 关的码元变成相关码元。 然后将信息码元和多余码元一起记录，重放时按照同样的规则检验，发现误码则自动纠 正。 3．常用的几种纠错方法 ⑴奇偶校验 根据 0、1 的个数是奇数还是偶数来校验。 ⑵循环冗余校验（CRC） 将所要记录的信息通过由移位寄存器和模 2 相加器组成的电路产生循环码，然后记录在 光盘上。重放时，将循环码除以生成多项式 G（X），余式 R（X）等于 0，表明传输无错误； 反之，传输有误码。纠错时，将接收的码元与余式 R（X）相加。 ⑶交叉交织、里德—索罗门码（CIRC） 二、交叉交织、里德—索罗门码（CIRC） 1．交叉交织 ⑴交织法：记录时改变数字信号的顺序（交织），重放时按照原来的顺序重排（去交织）。 ⑵交织原理： (见课本 P29 图 3-4) 把数字信号按时间顺序分成组，再使各个组延迟一定的时间，然后调换顺序重新组合， 记录在光盘上；重放时，按照原来的顺序重排。 将群误码变成随机误码，容易纠错。 2．里德—索罗门编码 ⑴CIRC 编码框图 (见课本 P30 图 3-5) 在 CD 唱机中，采用 CIRC 码和奇偶校验码。 CD 信号在刻录之前，对 PCM 码进行二次 CIRC 编码，分别用 C2、C1编码器实现。 ⑵CIRC 编码过程 (见课本 P31 图 3-6) ①PCM 编码 取左右声道各 6 个取样点（左右声道每个取样点 16 比特量化，各相当于 2 个字节）作为 一帧音频信号，每帧 24 个音频字符（字节），每个字符 8bit。 ②第一次 CIRC 编码
第三章激光唱机(CD机)的基本原理 编码前,对24个音频字符作交织变换,将偶数取样时间(0、1、2、3、4、5)的字符延 时2帧,进入C2编码器 C2编码器从24个音频字符中产生出4个校验码(Q码)Q、Q1、Q、Q。此时每帧共有 28个字符。 经过C编码后,除第一线外,各线进行了不同帧数的延时,自上而下延时量递增,递增 量4帧,最下线延时108帧。同一帧的字符分散到108帧中。 ③第二次CIRC编码 28个字符送到C1编码器中进行编码,又产生4个校验码(P码)Po、P1、P2、P3,再加 上一个作控制、显示用的字符,此时每帧共有33个字符。 帧的数据位流 8bt×(24+8+1)=8×33bit=264bit (3CIRC解码过程(见课本P32图3-7) 特:纠错能力强。读盘不好的时候,仍然音质优美 三、EFM( Eight-to- Fourteen Modulation)调制原理(8-14调制) 1.采用EFM调制的原因 为了提高光盘的存储容量(为什么?)和有效读取信号,用凹坑和非凹坑的长度表示0 的个数,用凹坑的前后沿表示1 (1)当所录制的数字信号中连续出现多个1时见课本P32图38),会出现以下问题 ①激光束的通断频率太高; ②坑长度变得很短,甚至小于轨迹的宽度,对播放光盘读取时钟频率和精度要求髙 ③多个连续的1在伺服电路中被积分,产生变化的直流电平,引起伺服电路工作不稳。 (2)当所录制的数字信号中连续出现多个0时(见课本P33图39),会出现以下问题: ①长时间不出现1,会导致光盘机内部接码电路中的压控振荡器工作不稳定; ②长距离的凹坑,会使CD机的循迹跟踪受到影响 ③容易出现误码 2.EFM调制原则 (1)两个1之间至少需要有两个0; (2)两个1之间最多只能有十个0
第三章 激光唱机（CD 机）的基本原理 - 4 - 编码前，对 24 个音频字符作交织变换，将偶数取样时间（0、1、2、3、4、5）的字符延 时 2 帧，进入 C2 编码器。 C2 编码器从 24 个音频字符中产生出 4 个校验码（Q 码）Q0、Q1、Q2、Q3。此时每帧共有 28 个字符。 经过 C2 编码后，除第一线外，各线进行了不同帧数的延时，自上而下延时量递增，递增 量 4 帧，最下线延时 108 帧。同一帧的字符分散到 108 帧中。 ③第二次 CIRC 编码 28 个字符送到 C1 编码器中进行编码，又产生 4 个校验码（P 码）P0、P1、P2、P3，再加 上一个作控制、显示用的字符，此时每帧共有 33 个字符。 一帧的数据位流： 8bit×（24＋8＋1）＝8×33 bit＝264 bit ⑶CIRC 解码过程 (见课本 P32 图 3-7) 特点：纠错能力强。读盘不好的时候，仍然音质优美。 三、EFM（Eight –to– Fourteen Modulation）调制原理 （8-14 调制） 1．采用 EFM 调制的原因 为了提高光盘的存储容量（为什么？）和有效读取信号，用凹坑和非凹坑的长度表示 0 的个数，用凹坑的前后沿表示 1。 ⑴当所录制的数字信号中连续出现多个 1 时(见课本 P32 图 3-8)，会出现以下问题： ①激光束的通断频率太高； ②坑长度变得很短，甚至小于轨迹的宽度，对播放光盘读取时钟频率和精度要求高； ③多个连续的 1 在伺服电路中被积分，产生变化的直流电平，引起伺服电路工作不稳。 ⑵当所录制的数字信号中连续出现多个 0 时(见课本 P33 图 3-9)，会出现以下问题： ①长时间不出现 1，会导致光盘机内部接码电路中的压控振荡器工作不稳定； ②长距离的凹坑，会使 CD 机的循迹跟踪受到影响； ③容易出现误码。 2．EFM 调制原则 ⑴两个 1 之间至少需要有两个 0； ⑵两个 1 之间最多只能有十个 0
第三章激光唱机(CD机)的基本原理 3.EFM变换 位扩展为14位 (1)扩展的原因 8bt共有256种组合,符合EFM调制原则的不足256种:14bit共有16384种组合,符合 EFM调制原则的267种。 (2)设想(见课本P34图3-10) 将16位分成两段,每段8位,每个8位扩展成14位(8位-24位二进制码对应表(见课 本P33表3-2),利用14位代替8位记录,有效的克服0、1连续多个出现的问题;重放时按 照相同的原则恢复为8位 为了消除两个14位之间出现连续1的问题,在两者之间加入3bt的并入位(耦合位)作 为分界。 每帧33个8b变成了33个14bt,在末端还要加上27bit的同步通道位(含3bit并入位)。 这时每帧含有588个通道位。 4.每帧的数据位与通道位(见课本P33表33) 根据“两个1之间至少需要有两个0:两个1之间最多只能有十个0”的原则,最 短坑的时间长度为3T(T=231ns),最长坑的时间长度为1T,共有9种长度的坑。(为什么?) 第四节CD信号记录 、CD信号记录流程 CD信号记录处理流程(见课本P35图3-11),对照流程图说明。 流程:模微数转换一— CIRC--EFM一一加入耦合位和帧同步信号一一激光调制刻录 1.左右声道输入,对取样信号进行16bit量化 2.CD重放时,非信息位被去除; 3.控制码 P码,用于识别音乐信号的有无,即曲与曲的间隔,可以实现选曲 Q码,记录通道数、曲号、去加重、播放时间等。 4.帧同步码不同于其它信息码,由24位二进制数组成:1000000000010 CD信号的记录格式
第三章 激光唱机（CD 机）的基本原理 - 5 - 3．EFM 变换 8 位扩展为 14 位。 ⑴扩展的原因 8bit 共有 256 种组合，符合 EFM 调制原则的不足 256 种；14bit 共有 16384 种组合，符合 EFM 调制原则的 267 种。 ⑵设想 (见课本 P34 图 3-10) 将 16 位分成两段，每段 8 位，每个 8 位扩展成 14 位（8 位—24 位二进制码对应表(见课 本 P33 表 3-2)），利用 14 位代替 8 位记录，有效的克服 0、1 连续多个出现的问题；重放时按 照相同的原则恢复为 8 位。 为了消除两个 14 位之间出现连续 1 的问题，在两者之间加入 3bit 的并入位（耦合位）作 为分界。 每帧 33 个 8bit 变成了 33 个 14bit，在末端还要加上 27bit 的同步通道位（含 3bit 并入位）。 这时每帧含有 588 个通道位。 4．每帧的数据位与通道位 (见课本 P33 表 3-3) 说明：根据“两个 1 之间至少需要有两个 0；两个 1 之间最多只能有十个 0”的原则，最 短坑的时间长度为 3T（T=231ns），最长坑的时间长度为 11T，共有 9 种长度的坑。（为什么？） 第四节 CD 信号记录 一、CD 信号记录流程 CD 信号记录处理流程(见课本 P35 图 3-11)，对照流程图说明。 流程：模/数转换——CIRC——EFM——加入耦合位和帧同步信号——激光调制刻录 说明： 1．左右声道输入，对取样信号进行 16bit 量化； 2．CD 重放时，非信息位被去除； 3．控制码 P 码，用于识别音乐信号的有无，即曲与曲的间隔，可以实现选曲； Q 码，记录通道数、曲号、去加重、播放时间等。 4．帧同步码不同于其它信息码，由 24 位二进制数组成：100000000001000000000010 二、CD 信号的记录格式
第三章激光唱机(CD机)的基本原理 1.记录格式参数(见课本P35) 2.记录格式(见课本P36图3-12) 三、CD类光盘的制作 国际统一标准(见课本P24表3-1) 1.原版盘(母盘)预制作 把制作好的音乐节目转换成标准格式的数字信号。 2.原版盘(母盘)制作 玻璃盘一一激光照射一一化学处理一一凹凸一一化学电镀一一父盘(金属原版盘) 母盘 3.大批量复制 母盘一一压模一一子盘 E呀。光盘的制作,并不是激光刻录,而是压模复制,成本较低 第五节数字音像设备中的系统控制电路 、控制系统的组成(见课本P37图3-13) 操作显示电路、系统控制指令输岀电路、数据传输电路、检测电路、执行电路 二、各部分的作用 1.操作显示电路 组成:键盘矩阵电路、遥控接收、操作显示微处理器 作用:接收键控、遥控信号送给微处理器进行处理,实现操作控制。 多功能显示屏:采用真空管式的荧光显示器。特点:亮度高、字符清晰,可以设计 成多种显示各种形状和显示方式。可以显示运行、停止、暂停、快进、快退、重复播放等多 种字符。 2.数据传输电路 组成:电路之间的连接线 作用:传输操作显示微处理器、系统控制微处理器、数字音频处理器等之间的串行数据 信号、时钟控制信号、读写控制信号。 3.检测电路 组成:光盘与托盘的加卸载位置检测、光盘种类和激光头进给位置检测(含A、B两面检
第三章 激光唱机（CD 机）的基本原理 - 6 - 1．记录格式参数 (见课本 P35) 2．记录格式 (见课本 P36 图 3-12) 三、CD 类光盘的制作 国际统一标准(见课本 P24 表 3-1) 1．原版盘（母盘）预制作 把制作好的音乐节目转换成标准格式的数字信号。 2．原版盘（母盘）制作 玻璃盘——激光照射——化学处理——凹凸——化学电镀——父盘（金属原版盘）—— 母盘 3．大批量复制 母盘——压模——子盘 说明：光盘的制作，并不是激光刻录，而是压模复制，成本较低。 第五节 数字音像设备中的系统控制电路 一、控制系统的组成 (见课本 P37 图 3-13) 操作显示电路、系统控制指令输出电路、数据传输电路、检测电路、执行电路 二、各部分的作用 1．操作显示电路 组成：键盘矩阵电路、遥控接收、操作显示微处理器 作用：接收键控、遥控信号送给微处理器进行处理，实现操作控制。 多功能显示屏：采用真空管式的荧光显示器。特点：亮度高、字符清晰，可以设计 成多种显示各种形状和显示方式。可以显示运行、停止、暂停、快进、快退、重复播放等多 种字符。 2．数据传输电路 组成：电路之间的连接线。 作用：传输操作显示微处理器、系统控制微处理器、数字音频处理器等之间的串行数据 信号、时钟控制信号、读写控制信号。 3．检测电路 组成：光盘与托盘的加卸载位置检测、光盘种类和激光头进给位置检测（含 A、B 两面检
第三章激光唱机(CD机)的基本原理 测)、光盘有无及倾斜检测、聚焦循迹及误差检测、主导轴电机转速检测、主轴电机电流检测、 激光二极管光量检测等。 作用:用于了解机器当前的工作状态及工作状况,若有异常,则采取保护措施。 4.执行电路 组成:加卸载执行电路、伺服电路、电源、音视频电路等。 作用:执行动作,保证机器正常工作 第六节激光唱机(CD)的电路结构 D机的组成框图。(见课本P38图3-14) 激光头、伺服、CD信号处理电路、D/A转换电路、系统控制电路。 核心部分是数字信号处理(DSP)。DSP处理是CD信号刻录的逆过程。 DSP Digital Signal Processor数字信号处理器 Digital Sound Processor数字音频处理器 Digital Surroundsound Processing数字环绕声处理 、激光头 用于拾取激光信息。 何服 伺服放大、伺服信号处理、伺服驱动 三、CD信号处理电路 DSP处理是CD信号刻录的逆过程 四、D/A转换电路 把CD输出的数字信号转换成模拟信号。 五、系统控制电路 对CD机进行自动控制,若遇到异常,执行保护。 作业:思考题
第三章 激光唱机（CD 机）的基本原理 - 7 - 测）、光盘有无及倾斜检测、聚焦循迹及误差检测、主导轴电机转速检测、主轴电机电流检测、 激光二极管光量检测等。 作用：用于了解机器当前的工作状态及工作状况，若有异常，则采取保护措施。 4．执行电路 组成：加卸载执行电路、伺服电路、电源、音视频电路等。 作用：执行动作，保证机器正常工作。 第六节 激光唱机（CD）的电路结构 CD 机的组成框图。(见课本 P38 图 3-14) 激光头、伺服、CD 信号处理电路、D/A 转换电路、系统控制电路。 核心部分是数字信号处理器（DSP）。DSP 处理是 CD 信号刻录的逆过程。 DSP： Digital Signal Processor 数字信号处理器 Digital Sound Processor 数字音频处理器 Digital Surroundsound Processing 数字环绕声处理 一、激光头 用于拾取激光信息。 二、伺服 伺服放大、伺服信号处理、伺服驱动。 三、CD 信号处理电路 DSP 处理是 CD 信号刻录的逆过程。 四、D/A 转换电路 把 CD 输出的数字信号转换成模拟信号。 五、系统控制电路 对 CD 机进行自动控制，若遇到异常，执行保护。 作业：思考题