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1、光盘生产中的常用检测仪电信号检测仪 http:/ 2005年04月14日 文章源自:记录媒体技术 1 引言 光盘检测是光盘质量控制中的重要环节，是产品分级，市场准入的重要判别手段。光盘检测包括在线检测和离线检测，在线检测是光盘生产过程中不可或缺的重要环节，伴随着光盘生产的每个工艺步骤；离线检测是光盘工艺调整、光盘质量评判的重要手段。光盘检测仪按其使用方式可分为在线检测仪和离线检测仪，按其检测参数可分为电信号检测仪和光学信号检测仪。 电信号检测仪通常为离线检测仪， 主要检测完成盘的播放性能， 通常以国际工业标准 （例如CD-Audio的红皮书）为依据，电信号检测仪也包括Master检测仪，Sta
2、mper检测仪，以及ECC校验等检测仪。本文所指电信号检测仪具有普遍意义，仅指完成盘的电信号检测仪。 光学信号检测仪主要用于控制光盘生产中各个工艺环节，分为在线检测和离线检测两种：在线检测仪一般称为在线扫描仪（In-line scanner），包括空白盘扫描仪，染料扫描仪，溅镀后盘片扫描仪，粘结层扫描仪等，可在线监视盘片生产工艺，检测盘片自身的物理缺陷。离线光学检测仪不但具有在线扫描仪的检测功能，并能给出更全面的盘片质量及工艺性能的评价。 光盘电信号检测仪又可分为：只读光盘检测仪，可写光盘检测仪（包括变功率检测仪），二者的结构、原理类似。本文主要介绍只读光盘电信号检测仪的检测原理、硬件结构、软
3、件功能。 2 光盘信号读出及参数检测原理 光盘工业自上世纪80年代以来迅速发展，得益于光盘工业所依赖的标准和格式。这些标准和格式为CD/DVD在信息交换领域成为低成本高可靠度的传播媒介开通了道路。各类光盘，如CD-Audio，CD-ROM/Vedio，CD-R/RW，DVD-Audio/ROM/Vedio，DVDR/RW，DVD-RAM，DVR，都 有其工业标准。 2.1 光盘信号读出原理 以CD-Audio为例，其工业标准为红皮书。红皮书中详细描述了CD-Audio的物理规格、信号参数、编码、调制、纠错。图1给出了CD-Audio 的信号流程和参数检测原理。 图1 光盘信号读出及电信号参数检
4、测原理图 其中A1，A2，A3，A 4是4象限 探测器，B=A1+A2+A3+A4；C= (A1+A4)-(A2+A3)；D=(A1+A4)-(A2+A3)；聚焦伺服采用差分相位DPD 法跟踪。 只读光盘检测参数（以CD-Audio/CD-ROM为例）可分为光学参数，机械参数，电信号参数。光学参数包括反射率、翘曲、双折射等参数，可利用光学信号检测仪检测；机械参数包括起始导入、数据区起始、起始导出，可利用光学头上的径向位置传感器（专用光驱上配备）来确定；电信号参数的检测原理在图1中给出。 电信号参数可分为：伺服参数，高频信号参数，抖晃参数，误码参数。电信号检测仪的检测原理与普通商业光驱的读出原理
5、近似，盘片信息面上的信息经光通道和电通道后复原：物镜出射的聚焦光束，穿过透明PC基片，在盘片的信息面（紧邻反射层）上发生衍射，衍射后返回物镜的光功率按照编码后的音频信息调制，调制后的光电流被称为高频信号HF，经半透半反镜反射，被四象限或六象限探测器接收；信号经前置放大器AMP 预放大；由于光通道的光学传递函数具有高通特性，因而需要均衡器Equalizer抑制高频分量（如I3），以降低误码率，并提高信噪比；限幅器Slicer产生二值化分割信号（0、1信号）；解调器Demodulator对二值化信号（EFM信号）进行8-14解调；解码器Decoder对信号进行CIRC双层解码纠错后，得到了复原信号
6、；对于CD-Audio，在数模转换后，输出到扬声器中就可再现录制前的音乐；而对于VCD，需经过MPEG2解码，就能得到录制前的影音节目。 光盘的伺服系统包括3部分：寻道伺服、聚焦伺服和主轴CLV伺服。寻道伺服（径向伺服）的主要目的是驱动光学头以最短的时间由现行轨道运行到目标轨道，并保持在轨道中心，避免信号间的串扰和信号电平的降低。检测跟踪误差可用单光束法和3 光束法，推挽法属于单光束法，将光探测器分为2部分，在跟踪良好时两部分输出相等；若光点偏离轨道时两部分输出不相等。聚焦伺服（垂向伺服）系统的功能是使激光束的焦点准确落在光盘记录面上。并使光点随着光盘的转动与偏移，自动的跟踪记录面运动，使记录
7、面保持在焦点的焦深范围内。CLV伺服（切向伺服）的目的是使读写光点的扫描速率与原记录的时基一致。 寻道伺服参数ECC、RN、RA从径向跟踪误差信号中获取。推挽信号PP和 PPC在径向跟踪伺服开环情况下测量，偏心ECC的简化测量方法也在开环情况下进行。聚焦伺服参数DEV、VN、RA从聚焦跟踪误差信号中获取。图1中并没有给出伺服信号串扰XT，XT是在开环情况从高频信号中获得。 利用示波器观察均衡化前的高频信号（EFM随机信号），可在示波器屏幕上得到网眼图，观察网眼图中的信号轨迹，如清晰规则，表明误码率小。通过示波器的网眼图或者高频信号检测装置可确定高频信号I3，I11，Itop，Asy。利用时距分
8、析仪TIA可测量高频信号的抖晃参数：盘片上信息坑和信息岸的扫描长度的标准偏差Jitter和长度偏差Length Dev，是对坑形结构分布的检测。 数字光盘在信号的编码和解码中为了有效的纠正随机误码和突发误码，采取以CIRC 命名的两级误码修正系统，在编码时由C2 和C1两个CIRC编码器组成，在解码时由C1 和C2两个CIRC解码器组成。误码参数包括E11E21、BLER、BERL，可由解码器的输出信号经处理后得到。 2.2 光盘电信号参数检测原理 光盘电信号参数的检测包括：高频信号的幅值特性、高频信号的脉宽特性、伺服信号、误码信号的测量和分析。以下仅对高频信号幅值特性、脉宽特性的检测原理作简
9、单介绍。 2.2.1 高频信号的幅值特性检测 高频信号的幅值特性是指均衡化前的EFM 信号的各个频率幅值特性。由于光学系统的光学传递函数MTF具有低通特性，使得HF信号中不同频率的信号幅值不同，这种幅值特性是光盘质量的重要衡量标准。依据CD 和DVD盘片的信号频率和精度要求，采用不同的幅值特性检测方法。 对于CD系统，由于信号频率相对较低，分辨度较高，故幅值特性的检测主要是通过频率分离和双峰检测的办法，其结构如图2所示。 前置放大 频率分离正峰值检出负峰值检出减法器双峰值检波I11Itop低频分量正峰值检出负峰值检出减法器双峰值检波I3高频分量HF信号图2 CD光盘高频信号幅值特性检测原理图
10、在CD光盘高频信号幅值检测单元中，高频信号首先输入前置放大器，然后信号进入频率分离电路，该电路对高频信号的高频和低频分量进行分离。由于在光盘播放系统中的低频分量（I11）的幅值最高，所以在幅值测量中对于低频量的分离无特殊要求。但高频分量（I3）幅值最低，所以要获取准确的I3幅值，就必须对高频信号进行滤波，滤去其它频率分量。实际采用的是分离点在700kHz的四阶巴特沃斯滤波器，在频率分离后进入双峰检测模块。检波得到的正负峰值通过AD采集系统输入计算机，双峰值检波技术使检测信号的频率降低，因此可采用一般的AD采集系统，例如：12位AD采集卡，转换时间25ms，采集卡系统误差小于0.1%。输入计算机
11、的数据需进行数字滤波以滤除干扰和噪音信号，使测量数据稳定。数字滤波可采用4阶有限冲激低通滤波器，截止频率100Hz。滤波后的数据通过运算，便可以得出盘片的Itop、I3/Itop、I11/Itop等反映盘片信号记录质量的技术指标。 对于DVD光盘，由于高频信号的频率更高，分辨度更小，所以采用脉宽触发，多点平均的办法。图3显示的是DVD 光盘高频信号的网眼图，I3的幅值明显小于I14的幅值。这是因为在DVD盘片系统设计上，为了获得更高的存储密度，使3T 的坑长更为接近空间截止频率，即DVD系统留有更小的余度。由此，DVD系统使用频率分离方法来检测幅值比较困难。比较精确的测量方法就是采用脉宽触发的
12、方式，测量每一次脉宽的幅值，并对几次测量值进行平均。图 4所示，利用数字示波器检测DVD信号I14H，示波器屏幕上图是高频信号，下图是二值化信号，触发方式为：大于500ns（14T脉宽为532ns）。当信号脉宽大于500ns时，则为DVD的14T信号，测量其幅值I14H。 图3 DVD级HF信号的网眼图 图4 DVDHF信号的测量 （DL1540示波器工作界面） 2.2.2 高频信号脉宽特性检测 脉宽特性实际上反应的是读出信号的时间长度特性，它是盘片中信息符长度特性的直接体现，通常用抖晃（Jitter）来衡量。抖晃的概念源于数字通信领域，反应信号相位或频率相对理想时钟的偏离程度。从数据探测原理
13、可知，高频信号的脉宽变化对数据的探测非常关键。因此，如数据抖晃特性差，必导致高误码率。抖晃是HF信号评价的最为重要的参数之一，受到光盘读写过程中介质噪声、激光功率和光束宽度的波动、主轴转速的波动及码间干扰等因素的影响。读出信号的抖晃反应了信号质量，对于数据的正确恢复产生直接影响。基于盘片种类不同，抖晃的定义也不同。在CD光盘的规范中使用的是数据对数据抖晃（Data to Data Jitter）而DVD 光盘使用的是数据对时钟抖晃（Data to Clock Jitter）。下面就两类抖晃的定义和检测进行介绍 CD光盘规范中定义了数据对数据抖晃，包括两个指标：长度偏差和数据抖晃，如图5。在CD
14、光盘规范中定义为在参考扫描速度和设定的高频信号的限幅电平下，特定的3T11T坑或岸的平均时间长度为作用长度， 反应信息符长度的平均值， 作用长度与理想长度的偏差就是长度偏差 Length DEV。数据抖晃Jitter是指特定的3T11T坑或岸时间长度变化的标准偏差（1s值），表明被检测的N个脉宽的一致性。 t作用长度理想长度长度偏差图5 抖晃及长度偏差的定义 在检测脉宽时，采用时钟计数法，其原理如图6所示。用二值化的高频信号的上升、下降沿来控制计数器的开关，通过计算计数脉冲数目就可以得出高频信号的宽度，从而得到信息符的长度信息，判定信息符的质量。只要填充脉冲具有足够高的频率，就可保证这种检测方
15、法具有足够高的精度，并利用软件处理数据，就可得到抖晃和长度偏差。 图6 高频信号脉宽检测原理 滤 波 器HF限 幅 器FPGA计 数计算机数据处理输 出总线电平判定测试卡图7 脉宽检测模块框图 由于均衡器能改善读出信号的抖晃特性，为准确反应信息符质量，数据对数据抖晃所选用的信号应为均衡化前的高频信号。读出的高频信号是模拟信号，不能直接用于脉宽检测，应当先对信号进行二值化处理，将其转换成数字信号后再进行测量。脉宽检测模块的框图如图7。 滤波器主要用于去除高频信号中的直流分量，同时也去除高频噪声的影响。限幅器实际上是一个电平比较器，通过输入信号与判定电平比较，产生二值化信号。限幅器与电平判定反馈电
16、路一起，组成自适应限幅器，根据输入的高频信号实时地调整判定电平。图8显示了电平转换前和转换后的HF信号。 图8 电平转换实测结果 （“1”是电平转换前的信号；“2”是电平转换后的信号） 二值化的高频信号进入计数器，就可进行脉宽测量。脉宽测量时采用标准高频时钟信号，在高频信号电平为高或低期间控制高频计数器计数，由计数器的输出即可得到高频信号脉宽的信息。其检测原理框图如图9所示。测量脉宽时可以选择测量高频信号的高电平或低电平脉宽（对应信息符的岸或坑）。 图9 HF信号脉宽测量电路原理框图 在DVD盘片中，抖晃主要指数据对高频信号再生锁相环（PLL）时钟的抖晃(JCL)。这个参数表示二值化高频信号的下降沿或上升沿相对于PLL时钟上升沿的间距值的标准偏差。PLL时钟从二值化高频信号数据流中产生。PLL时钟从高频信号中再生，用以判定信号长度，所以测量信号的上升和下降沿与PLL 时钟上升沿的间距，即可有效判定信号一致性。如图10所示，数
