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）
(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，2n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216＝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。
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。
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
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
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）
(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，2n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216＝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。
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。
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
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
