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1、第四章 激光唱机（CD 机）,第一节 数字音响与 CD 机的结构,一、数字音响概述,二、音频信号数字化存储过程,三、数字光盘,四、CD 机的结构,一、数字音响概述,1. 数字音响技术的发展,数字音响技术 ：即取样、量化、编码等数字化技术 。,彻底解决了模拟音响中存在的失真大、信噪比低、动态范围小的问题 。,2. 数字音响技术的优点：,保真度高、抗干扰能力强、动态范围大，信噪比高、重放信号流畅稳定、无抖晃、数字音响信号在加工处理、传输、存储、编辑过程中灵活方便，稳定可靠。,第一节 数字音响与 CD 机的结构,一、数字音响概述,3. 数字光盘存储技术,音响信号的记录方法 ：磁记录和光记录两类。,光
2、记录采用光盘存储技术，即运用激光技术以光学方式将数字化的音响信号在一个称作光盘的塑料介质圆盘上进行信息写读的信息存储技术。,优点：音质好、操作编辑方便、盘片存储密度高、信息写、读无机械接触、无磨损、保存时间长、盘片生产工艺简单、成本低。,第一节 数字音响与 CD 机的结构,一、数字音响概述,数字光盘存储系统框图,要将一个模拟信号用光记录方式存储到光盘中，须经过信源编码、格式化编码、信道编码 / 调制三部分加工处理后，才能通过写光头记录在光盘中。,第一节 数字音响与 CD 机的结构,一、数字音响概述,用于数字音响的光盘存储系统框图,信源编码将连续的模拟信号通过采样、量化和编码三个环节变换成离散的
3、数字信号，核心问题是解决好保真度（带宽）和传输效率（传输率）这一对矛盾；,第一节 数字音响与 CD 机的结构,一、数字音响概述,用于数字音响的光盘存储系统框图理解,信源编码：将连续的模拟信号通过采样、量化和编码三个环节变换成离散的数字信号；核心问题是解决好保真度（带宽）和传输效率（传输率）这一对矛盾。,信道编码/调制：实现检错、纠错编码，降低系统误码，提高信噪比，提高系统的可靠性和数字信号转换成适合在塑料盘片上存储的物理形式。,读信号处理过程实质上是写信号处理的逆过程。,第一节 数字音响与 CD 机的结构,二、音频信号数字化存储过程,1. A / D 变换,音频信号的数字化首先要经过采样、量化
4、、编码的A / D变换过程,采样：在时间轴上以一定的周期间断地采取模拟信号在这些时刻的值。,量化：在幅度上用某种精度的“尺”来测量所采样的值。,编码：把幅度上已量化的取样值，用一组 “ 0 ” 与 “ 1 ” 的码来代表。,第一节 数字音响与 CD 机的结构,二、音频信号数字化存储过程,A / D 变换的结果：,将一个模拟音频信号变成了与它毫无相似之处的一串二进制数码 ，这一串二进制编码包含了模拟音频信号中的所有信息。,量化过程中，由于所用 “尺” 的精度有限，又采用四舍五入的量化方式，使得经量化后的波形与实际波形存在误差，这个误差称之为量化噪声。,克服量化噪声是 CD 机提高信噪比、扩大动态
5、范围必须解决的问题。提高采样频率、增加量化位数是极有效的手段。CD 方式的常用量化位数为 16 bit 。,第一节 数字音响与 CD 机的结构,二、音频信号数字化存储过程,编码：,编码是将已量化的各电平值用二进制数码表示的过程,在电路中 “ 1 ” 代表有脉冲，“ 0 ” 代表无脉冲，这些幅度相等的脉冲信号称作脉冲编码调制（ PCM ）信号。,信道编码是采用检错、纠错编码的措施克服数字化加工处理、传输存储过程中产生的误码，使CD方式实用化的技术；,信道调制则是一种寻找适合塑料盘片存储的物理形式的技术。,CD 方式在音乐数据写入盘片时，信道编码采用交叉交织里德索罗门编码，即CIRC纠错编码；信道
6、调制则采用EFM调制，即 8 - 14 调制。,第一节 数字音响与 CD 机的结构,二、音频信号数字化存储过程,2. CIRC 纠错编码,CIRC 纠错编码十分繁琐、复杂，它的编码过程 示意图如下：,第一节 数字音响与 CD 机的结构,二、音频信号数字化存储过程,3. EFM 调制,EFM 调制和调频（ FM ）、调幅（ AM ）等调制一样，可将待传输或存储的信号变成另一种形式的信号，以满足传输或存储的特点和需要。,对于塑料光盘这种存储介质，是以坑点这种物理形式记录音乐数据的。,EFM 调制最终将原来的二进制码流变成了 9 种尺寸的坑点序列记录在光盘中，坑点的长短与EFM调制信号的对应关系如下
7、图最下方所示 9 种坑点的形状及在光盘中的排列情形。,第一节 数字音响与 CD 机的结构,二、音频信号数字化存储过程,3. EFM 调制过程图,第一节 数字音响与 CD 机的结构,三、数字光盘,1. 数字光盘的物理格式,第一节 数字音响与 CD 机的结构,CD光盘：直径 12 cm ，厚度 1. 2 mm 。光盘材料为聚碳酸酯透明塑料，信息面镀有铝反射层，并涂有一层保护膜。,数字信号以坑点序列的物理形式刻制在厚度为 0.01 m 的铝反射层上，信号坑的宽度为 0.5 m ，长度为 0.833 3.054 m ，深度为 0.11 m 。坑点序列沿着相距 1.6 m 中心距的螺旋形轨迹由内向外排列
8、。每张光盘大约有 2 万圈信迹，共约 6 109 7 109 个坑。,三、数字光盘,CD 光盘图,第一节 数字音响与 CD 机的结构,聚碳酸酯透明塑料层的折射率n1 为 1. 5 ，它也是光学系统的组成部分，激光束从空气中射入它后，将进一步产生折射，最终以1m 的光点聚焦在信号坑上。,三、数字光盘,CD 光盘图的制造过程和分类,第一节 数字音响与 CD 机的结构,制造过程：录音、合成、制片,分类：根据每个阶段所采用的是模拟（A）技术还是数字（D）技术，光盘被分成 ADD、AAD、DAD、DDD 四类 。,ADD：录音采用模拟方式，合成、制片采用数字方式；,DDD：从录音、合成到制片，都采用数字
9、方式。,AAD：录音、合成采用模拟方式，制片采用数字方式；,DAD：录音、制片采用数字方式、合成采用模拟方式；,三、数字光盘,2. 数字光盘的数据结构,第一节 数字音响与 CD 机的结构,（1） CD 帧,CD帧是存放声音数据的基本单元,一个 CD 帧有 588 个通道位，分为同步信号、子码（控制/显示）、左、右声道声音数据及 Q、P 纠错校验码共 6 个单元。可以算出帧同步频率为 7. 35 kHz 。,三、数字光盘,CD 帧的数据结构及扇区结构如下图,第一节 数字音响与 CD 机的结构,三、数字光盘,（1） 扇区与子码帧,第一节 数字音响与 CD 机的结构,98 个 CD 帧将组成一扇区（
10、节），扇区是数据存储中的最小单位。在一个扇区中由 CD 帧中的子码又组成一个子码帧。,四、CD 机的结构,CD 机的基本结构：,第一节 数字音响与 CD 机的结构,CD 机主要由机芯、重放信号处理系统、伺服系统、整机控制系统、机械系统和供电系统等部分组成。,第二节 CD 机的基本工作过程,一、光盘信号的读取与放大,二、信道解调、解码,三、信源解码,四、音频电路,五、整机控制电路,一、光盘信号的读取与放大,1. 激光头,第二节 CD 机的基本工作原理,光电转换过程：利用激光头射出的激光束，经聚焦和随动伺服系统的定位控制后，形成一个受控光点扫描光盘信迹，通过光的干涉将受到坑点信号调制的光信号转变为
11、相应电信号。,组成：由激光器、光学系统和光电转换系统三大部分构成。,一、光盘信号的读取与放大,激光器,第二节 CD 机的基本工作原理,组成：由一只激光二极管（LD）和一只监控光电二极管（PD）组成,工作过程：激光二极管通电后，在光功率控制电路（APC 电路）的监控下，从窗口射出激光束以读取光盘上的信息，激光束在到达光盘信息面前还须经过一套精密的光学系统，并最终在光盘信息面上聚焦成直径约 1 m 的光点。,三光束型激光头利用光栅板将光束分裂为三束光，其中主光束用于拾取声音信号及聚焦误差信号，两个辅助光束用于检测循迹误差信号。,一、光盘信号的读取与放大,激光二极管结构及特性图,第二节 CD 机的基
12、本工作原理,一、光盘信号的读取与放大,2. 光盘信号的读取,第二节 CD 机的基本工作原理,激光聚焦光点投射在无坑点平台时：各反射光同频同相而相互叠加，使反射光最强；,激光聚焦光点投射在有坑点凸台处 ：平台和凸台的反射光相位相反相互抵消，使反射光最弱，造成了反射光束光强的差异。,反射光束返回光学系统后,经偏振光分离器偏转 90 ，再通过柱面透镜射向由 A、B、C、D、E、F 6 只光电二极管，将受到调制的反射光信号转换为相应的电信号。,一、光盘信号的读取与放大,光电二极管工作原理图,第二节 CD 机的基本工作原理,原理,一、光盘信号的读取与放大,各信号的读取原理图,第二节 CD 机的基本工作原
13、理,原理,一、光盘信号的读取与放大,（1） RF 射频信号（代表声音信号）的拾取,第二节 CD 机的基本工作原理,反射到 A、B、C、D 4 个光电二极管上的主光束经光电转换后变为电流信号，经运算放大器进行 I / V 变换后再经求和运算，即获得RF信号。坑点分布与拾取信号的波形对应关系其波形与正弦波极相似。,一、光盘信号的读取与放大,9 种坑点的标准波形示意图：,第二节 CD 机的基本工作原理,9 种周期不同的类正弦波的组合形成了独特的“眼图”信号,一、光盘信号的读取与放大,（2） 聚焦误差信号（FE）的检测,第二节 CD 机的基本工作原理,散法检测原理：,一、光盘信号的读取与放大,（3）
14、循迹误差信号（TE）的检测,第二节 CD 机的基本工作原理,三光束法检测原理,一、光盘信号的读取与放大,3. 光电的位置控制,第二节 CD 机的基本工作原理,由于光盘在制造中的误差、盘片的变形、光盘转速的不稳定等原因，使光盘有上下（z 方向）的波动，在径向（y 方向）也会有因偏心误差造成的偏摆，在切向（x 方向）则会有因转速不稳定造成的线速度的抖动。,读光点 M 必须在这三个方向上紧紧跟随这些变化，才能正确读出光盘上的坑点信号。,一、光盘信号的读取与放大,聚焦伺服的工作过程图：,第二节 CD 机的基本工作原理,一、光盘信号的读取与放大,（ 1 ） 循迹伺服,第二节 CD 机的基本工作原理,循迹
15、伺服的目的：在信号拾取过程中通过控制光头的物镜做微小的径向偏移，在信号面上跟踪扫描具有因各种偏心因素导致径向偏摆的目标信迹。,聚焦伺服电路的结构如图,一、光盘信号的读取与放大,循迹伺服装置图,第二节 CD 机的基本工作原理,一、光盘信号的读取与放大,（ 3 ） 进给伺服,第二节 CD 机的基本工作原理,聚焦伺服的目的：实现在光盘大范围（33 mm）内的径向跟踪，以完成选曲、编辑、控制等方面的需要。,聚焦伺服电路的结构如图,进给误差信号由循迹驱动信号提供。,一、光盘信号的读取与放大,进给驱动电压与循迹线圈的驱动电压间的关系图,第二节 CD 机的基本工作原理,进给驱动电压波形说明了进给电动机常处于间歇工作状态。,一、光盘信号的读取与放大,常见进给传动机构图：,第二节 CD 机的基本工作原理,为克服随机存取过程中光头的惯性，使系统稳定工作，一般都设有传动机构防振措施。,一、光盘信号的读取与放大,（ 4 ） 主轴伺服,第二节 CD 机的基本工作原理,主轴伺服的目的：让直接带着光盘旋转的主轴电动机转速实现CLV控制方式。,主轴伺服电路的原理如图,二、信道解调解码,信道解调、解码电路的结构如图所示,第二节 CD 机的基本工作原理,电路按功能可分为前置放大、整形和数字信号处理（DSP）两大部分。,二、信道解调解码,信道解调、解码电路的脉冲示意图,第二节 CD 机的基本工作原理,三、信源解码,1
