《音響技術》課件第4章

第4章激光唱機4.1CD機基礎知識4.2CD機相關知識4.3CD機拓展知識

4.1

CD機基礎知識

1982年，由荷蘭飛利浦公司和日本索尼公司聯(lián)合推出了一種被稱為CD(CompactDisc)唱機的數(shù)字音頻設備，它是利用激光頭讀取固化在光盤上的音頻數(shù)字信息，再經(jīng)電路處理還原模擬信號的音頻重放設備，又稱激光唱機，簡稱CD機。4.1.1

CD機的結構與特點

CD機的基本組成包括機芯和電路兩部分。

1．機芯的基本組成

CD機機芯的基本組成如圖4－1所示，主要由托盤進出機構、光盤裝卸機構、光頭進給機構、光盤旋轉機構、夾持機構和光束聚焦與循跡機構等部分組成。圖4－1

CD機機芯的基本組成方框圖托盤進出機構、光盤裝卸機構與夾持機構安裝在塑料機座上，托盤通過齒條與機座上的托盤進出機構中的主凸輪嚙合。加載電機安裝在機座上。唱片旋轉機構和光頭進給機構安裝在鋼制芯座上，通過螺釘壓固在機座上。芯座嵌在升降凸輪槽內，隨著升降凸輪的轉動而上下移動。

2.電路的基本組成

CD機電路的基本組成如圖4－2所示，主要由激光頭、信號處理系統(tǒng)、機芯伺服系統(tǒng)、控制顯示系統(tǒng)、電源電路等部分組成。圖4－2

CD機電路的基本組成方框圖激光頭（俗稱激光拾音器）主要用于讀取CD唱片上的數(shù)字音頻信號，它采用的是一種光學非接觸讀取信息方式。激光頭發(fā)射波長為780nm的激光束，由CD機的伺服系統(tǒng)控制，準確照射在信號軌跡上，有信號坑的地方反射激光少，無信號坑的地方激光幾乎被全部反射。該反射光強的變化由激光頭中光電二極管接收并轉變?yōu)槎M制電信號。

信號處理系統(tǒng)包括RF信號處理器、數(shù)字信號處理器、數(shù)字濾波器與音頻數(shù)/模變換器以及低通濾波器等。其中數(shù)字信號處理(DSP)電路是信號處理系統(tǒng)的核心部分，一般使用超大規(guī)模集成電路。

CD機中含有四種獨立的伺服機構，其中，聚焦伺服機構使物鏡作上、下微動，以使激光束正確聚焦在唱片的信號面上；循跡伺服機構使物鏡作徑向微動，以使激光束始終對準信號軌跡中心，正確地進行掃描；進給(滑動)伺服機構使整個激光拾音器沿徑向移動，完成正常讀碟和特殊播放；主軸伺服機構用恒線速(CLV)方式控制光盤旋轉。

控制顯示電路包括機芯工作狀態(tài)的控制、電路工作狀態(tài)的控制、鍵盤操作與遙控接收以及顯示驅動等電路，其核心是一塊專用的微處理器(CPU)芯片。

CD機的電源常采用串聯(lián)調整式穩(wěn)壓電路，高檔機采用開關穩(wěn)壓電源電路。穩(wěn)壓電源向CD機各部分電路，如數(shù)字電路、模擬電路、驅動電機、顯示電路等提供工作電源。

3．CD機的特點

CD機與磁帶錄音機和早期的模擬唱機相比，具有如下幾個方面的特點。

（1）光盤記錄密度高，存儲容量大。由于在CD光盤中采用了激光高密度記錄技術，使得一張12cmCD光盤上可以存儲大約650MB的信息，可以播放74min高質量的雙聲道立體聲伴音。

（2）電聲性能指標高，重放音響效果好。在CD機中，由于采用了激光技術和數(shù)字信號處理技術，使信號的記錄與重放技術得到極大的改善，進而使重放的聲音更加逼真，音質更加完美。常用CD機的主要性能指標為：頻率響應為20Hz~20kHz；信噪比大于96dB；動態(tài)范圍大于96dB；分離度大于96dB；諧波失真小于0.05%。（3）非接觸讀取信息，光盤永不磨損。由于采用激光讀取光盤信息，激光頭與光盤之間無任何接觸，使得光盤不會發(fā)生磨損現(xiàn)象，易于長久保存。

（4）光盤制作成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。CD光盤制作時，首先是將節(jié)目盤錄制在母盤上，再將母盤制作成模具，然后在注塑機中直接注壓成形。因此，光盤在大批量生產(chǎn)時，工序少，成本低。

除此之外，CD機還具有操作功能強、檢索速度快、糾錯能力較強等特點。4.1.2

CD機的基本工作原理

CD機的主要功能是播放CD唱片。CD唱片以適當?shù)乃俣刃D，激光頭拾取從唱片上反射回來的激光束，重新獲得數(shù)據(jù)信息，并盡可能使數(shù)據(jù)信息精確地還原為原始模擬信號。

1．激光拾音器

1）激光拾音器的作用與性能要求

激光拾音器的主要作用是讀取CD唱片的反射信號并產(chǎn)生聚焦誤差信號和循跡誤差信號。目前市場上主要有以Sony機芯為代表的三束光激光頭和以Philips機芯為代表的單束光激光頭，兩種結構的主要區(qū)別是產(chǎn)生循跡誤差信號的方式有所不同。為了使激光拾音器能夠準確地拾取CD唱片上的數(shù)字音頻信息，對激光拾音器有如下技術要求：

(1)具有自動功率控制(APC)電路，保持激光二極管發(fā)射的激光束功率恒定。

(2)具有自動聚焦裝置，驅動物鏡上下垂直移動，使激光束能準確聚焦于CD唱片的信息層，拾取最大的光反射信號。

(3)具有自動循跡裝置，驅動物鏡左右平行移動，使激光束能準確跟蹤CD唱片上的信息軌跡。

(4)具有光學分光裝置，能將發(fā)射光和反射光分離。

(5)具有光敏接收裝置，能將反射光轉換成電信號。

2）激光拾音器的組成與工作原理

激光拾音器是CD機中的關鍵部件，它是利用激光束從CD唱片上讀取數(shù)字音頻信號的光/電轉換裝置，主要由激光二極管、光學系統(tǒng)及光敏檢測器等部件組成。三束光型并非使用三個激光頭，而是利用光學原理將激光二極管發(fā)射出的激光束一分為三，其等效原理結構如圖4－3所示。由于單束光型的伺服電路比三束光型的要復雜一些，所以實用產(chǎn)品中使用三束光型的較多。激光屬于電磁波，具有波動性，它的傳播是一面振動，一面向前傳播。當電磁波振動平面與前進方向垂直時，稱為偏振光。根據(jù)合成振動矢量的不同，又可分為直線偏振光和圓形偏振光。圖4－3三束光型激光拾音器的等效原理結構在圖4－3中，激光二極管發(fā)射波長為780nm的直線偏振光，光電二極管與激光二極管位置靠得很近，處于同一封裝內，直接檢測激光強度并將其轉換為電信號，送至外部的自動功率控制電路APC。APC電路輸出控制電壓，控制激光二極管的受激狀態(tài)，使發(fā)射的激光功率保持恒定。

單束激光經(jīng)過衍射光柵分裂為三束激光，中間的主光束用于從光碟上拾取數(shù)據(jù)信息，主光束兩邊的副光束用于產(chǎn)生循跡信息。三束激光穿過偏振棱鏡、準直透鏡形成平行光束，當繼續(xù)通過由異方向結晶石英制成的1／4波長片時，光束偏振方向將逆時針旋轉45°，由直線偏振光變成圓形偏振光，借助物鏡將激光束聚焦后，投射到CD唱片的信號面上。

激光束經(jīng)CD唱片信號面反射逆行，穿過物鏡，再次反向穿過1／4波長片，激光束偏振方向又將逆時針旋轉45°，變回直線偏振光，但此反射光已與入射光形成90°相位差，再次通過偏振棱鏡時，將發(fā)生90°折射而進入柱面透鏡，實現(xiàn)了入射光與反射光的分離柱面透鏡的作用是產(chǎn)生聚焦信號，當主激光束在CD唱片上聚焦良好時，反射回來的主光束照射在A、B、C、D四只光電二極管的中心，形成一個圓形光斑。若主光束聚焦不良，柱面透鏡使反射主光束在四只光電二極管上形成一個橢圓光斑，且橢圓光斑的傾斜方向與聚焦不良的方向有關。

光檢測器陣列通常由A、B、C、D、E、F六只光電二極管組成，并按一定的陣列方式進行連接。六只光電二極管依據(jù)接收到的反射激光束的強度不同，產(chǎn)生以下三種電信號：射頻信號：RF＝A+B+C+D，是CD光碟的主信號，又稱為眼圖信號，它包含了CD光碟的全部數(shù)據(jù)信息，由主激光束照射在A、B、C、D四只光電二極管上而生成。

循跡誤差信號：TE＝E-F，由兩個副激光束分別照射在E、F兩只光電二極管上而生成，它包含的是主激光束偏離光碟信息軌跡的狀態(tài)信息。

聚焦誤差信號：FE＝(A+C)-(B+D)，由主激光束照射在A、B、C、D四只光電二極管上而生成，它包含的是主激光束在CD光碟上的聚焦狀態(tài)信息。

2.RF信號處理電路

1）RF信號處理電路的作用

RF信號處理電路的主要功能是對來自激光拾音器的光電信號進行放大、對稱性校正及波形整形，輸出能被正確識別的EFM信號，送至數(shù)字信號處理（DSP）電路；同時輸出聚焦伺服和循跡伺服的誤差信號，送至伺服信號處理電路。

2）RF信號處理電路的組成與工作原理

光檢測器陣列輸出三個基本信號，即EFM信號、聚焦誤差信號和循跡誤差信號，如圖4－4所示。圖4－4光檢測器陣列輸出信號（1）光檢測器陣列。由CD唱片反射回來的激光信息，經(jīng)過六只光電二極管轉換成電信號。其中，中間的四只二極管A、B、C、D按對角線形式連接，即A與C一組，B與D一組。這兩組光電二極管的輸出信號分別饋至聚焦誤差放大器和相加放大器，光電二極管E和F的輸出信號饋至循跡誤差放大器。

（2）聚焦誤差放大器。聚焦誤差放大器首先對A、B、C、D四只二極管的兩組輸出信號分別進行放大，然后再由一個差分放大器對這兩組信號進行比較放大，形成聚焦誤差信號。其大小和極性與聚焦誤差的程度和方向有關，如圖4－5所示。當主激光束在CD唱片上聚焦良好時，反射回來的主光束照射在A、B、C、D四只光電二極管的中心，形成一個圓形光斑，四只光電二極管接收到的激光束相等，則聚焦誤差信號FE＝(A+C)-(B+D)＝0，無聚焦誤差信號產(chǎn)生；若主光束聚焦不良，反射回來的主光束在四只光電二極管上形成一個橢圓光斑，則聚焦誤差信號FE＝(A+C)-(B+D)＞（或＜0），即誤差信號的極性與聚焦不良所發(fā)生的方向有關，信號的幅值與聚焦不良的程度有關。該誤差信號驅動聚焦線圈，使物鏡作垂直方向移動，完成自動聚焦功能。圖4－5聚焦誤差信號的產(chǎn)生原理（3）循跡誤差放大器。E和F光電二極管的輸出信號只用于循跡。若兩個副激光束分別照射在E、F兩只光電二極管上的激光相等，則循跡誤差信號TE＝E-F＝0，說明激光束沒有偏離光碟信息軌跡，無循跡誤差信號產(chǎn)生。反之，則循跡誤差信號TE＝E-F≠0，有循跡誤差信號產(chǎn)生，信號的大小和極性與循跡誤差的程度和方向有關，如圖4－6所示。該誤差信號經(jīng)差分放大器放大，驅動循跡線圈，使物鏡作水平方向移動，完成自動循跡功能。圖4－6循跡誤差信號的產(chǎn)生原理（4）相加放大器。相加放大器的輸入信號是A、B、C、D四只二極管的兩組輸出信號。這兩組信號在放大器中相加，輸出的是四只二極管的求和信號，該信號稱為射頻信號或眼圖波形，它包含來自唱片上的全部數(shù)據(jù)信息，如圖4－7所示。圖4－7眼圖波形為了還原原始模擬音頻信息，還應對射頻信號作進一步處理。RF射頻信號的波形反映了激光唱機和激光唱片的特性，信號周期與唱片上的凹坑或凸點的長度有關，同時也與信號處理器的時鐘頻率有關。信號的最短周期對應唱片上最短的凹坑或凸點的長度，等于時鐘周期的三倍（時鐘頻率為4.3218MHz）。

相加放大器的輸出信號，經(jīng)電容C耦合，分別送往EFM比較器、FOK放大器和鏡式放大器。（5）EFM比較器。相加放大器輸出的射頻信號，一路經(jīng)EFM比較器進行放大，轉換成前后沿陡峭的方波信號輸出。方波信號的波形是否規(guī)范直接影響后級電路的工作狀態(tài)，因為方波信號的前后沿正是代表了數(shù)據(jù)流中的數(shù)字1。

在CD唱片制作過程中，CD母片的“鑄?！庇捎谶B續(xù)壓制會出現(xiàn)磨損，使得唱片的凹坑或凸點的邊緣失去明顯界限，CD機識別凹坑的起始點位置產(chǎn)生較大偏差，影響了數(shù)字1的有效檢出。為此，EFM比較器通常有兩路輸入信號，即射頻信號和ASY（不對稱）電壓，ASY電壓是通過方波射頻信號與解碼器中鎖相環(huán)的時鐘信號相比較，再經(jīng)過濾波后產(chǎn)生的，所以ASY信號與EFM的時基保持嚴格同步，可以確保數(shù)據(jù)1在準確位置被檢出。（6）FOK（聚焦確認）放大器。相加放大器輸出的另一路射頻信號送FOK放大器。CD唱片插入唱機時，聚焦伺服系統(tǒng)首先驅動物鏡完成聚焦動作，使射頻信號輸出最大，經(jīng)FOK放大器放大，輸出一個高電平的FOK信號，該信號再送往與聚焦有關的電路，使聚焦伺服系統(tǒng)處于閉環(huán)受控狀態(tài)。在多數(shù)CD唱機中，F(xiàn)OK信號同時作為唱片已經(jīng)插入，要求控制電路做好放唱準備的標志。（7）鏡式（循跡搜索）放大器。相加放大器輸出的射頻信號，第三路送鏡式放大器產(chǎn)生鏡式信號?？刂齐娐芬罁?jù)鏡式信號識別激光束的循跡是否正確。當鏡式信號為低電平時，表示激光束正確循跡；當鏡式信號為高電平時，表示激光束循跡存在偏差。如果鏡式信號保持高電平的時間超過規(guī)定值，控制電路將會輸出觸發(fā)信號，驅動循跡伺服系統(tǒng)糾正循跡偏差，直至鏡式信號保持低電平為止。另外，唱機執(zhí)行自動選曲操作時，也要用到鏡式信號。

在RF放大電路后面通常還有失落檢測器，其作用是檢測RF信號中的信號失落，穩(wěn)定循跡伺服，防止失落影響，并將檢測信號提供給數(shù)據(jù)切塊電路進行處理，以免出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯位。

在RF放大電路后面還有離軌檢測器，其作用是當CD唱機在搜索、跳越狀態(tài)時，循跡伺服電路關閉，CPU則通過離軌檢測信號確定激光頭的位置。

3.伺服控制系統(tǒng)

1）伺服控制系統(tǒng)的作用與組成

CD機中包含各種伺服系統(tǒng)，以便使激光束準確聚焦在唱片表面上，同時能使激光束在唱片表面正確循跡。

CD機的機械操作系統(tǒng)比較簡單，由驅動電機、光學裝置、加載/去加載機構以及能使物鏡作垂直和水平移動的驅動線圈構成。

CD機通常有3只電機作為機械系統(tǒng)的動力源，分別是托盤電機(TrayMotor)，又稱裝載電機，負責帶動CD托盤和CD唱片壓片機構動作；徑向給進電機(FeedMotor)，負責帶動激光頭作徑向移動；主軸電機(DiscMotor)，又稱唱盤電機，負責帶動CD唱片旋轉。

CD唱片裝載機構是控制CD唱片托盤進出機器的裝置。為了檢測CD托盤的位置以及托盤移動是否到位，以便關閉或接通托盤電機，在CD機中設有位置檢測開關。

主軸電機系統(tǒng)帶動CD唱片作恒線速旋轉。CD唱片壓片機構的動力由托盤電機提供。CD唱片裝入唱機后，被壓片機構卡牢，這一動作由主軸電機機構整體作向上移動完成，退片時該機構向下移動，松開CD唱片。通常設一位置開關（U/DSW）檢測壓片動作完成情況，確保正確執(zhí)行了壓片動作后，主軸電機才可以轉動。激光頭徑向移動系統(tǒng)的動力由徑向進給電機提供。在CD唱片旋轉的同時，徑向移動系統(tǒng)帶動激光頭作徑向移動。在伺服系統(tǒng)的控制下，激光束始終照射在唱片的信號軌跡上，讀取信息，執(zhí)行重放、選曲或搜索操作。徑向移動系統(tǒng)的傳動機構有齒條型、絲杠型和線性電機型。該系統(tǒng)也設有位置檢測開關，相對于唱片的最內圈位置為起始限位開關，最外圈位置開關可有可無。CPU根據(jù)激光頭位置檢測開關的狀態(tài)，啟動CD機激光頭工作、啟動或關閉激光頭徑向進給電機的動作。為確保激光束能準確跟蹤唱片軌跡并成像在光電檢測器上，按規(guī)定的速率讀出數(shù)據(jù)，在激光唱機中，通常應具有以下四種獨立的伺服系統(tǒng)：

聚焦伺服系統(tǒng)——驅動物鏡垂直移動，使激光束在唱片的放音面上保持良好聚焦。

循跡伺服系統(tǒng)——驅動物鏡橫向移動，使激光束始終沿著信息軌跡掃描。

進給伺服系統(tǒng)——又稱滑動伺服系統(tǒng)，與循跡伺服系統(tǒng)共同作用，使激光束精確跟蹤信息軌跡；另外執(zhí)行選曲操作時，可使激光頭沿徑向快速移動到指定位置。

主軸伺服系統(tǒng)——依據(jù)激光束所處的不同位置，改變主軸的旋轉速度，確保唱片以恒線速度旋轉，使激光頭在單位時間內拾取相同的信息量。

2）伺服控制系統(tǒng)的工作原理

（1）聚焦伺服系統(tǒng)。聚焦伺服系統(tǒng)的工作過程：放大聚焦誤差信號，放大后的信號驅動聚焦線圈，聚焦線圈套在物鏡上帶動物鏡作垂直移動，保持激光束在唱片的放音面上精確聚焦。聚焦伺服系統(tǒng)的控制原理如圖4－8所示。圖4－8聚焦伺服系統(tǒng)控制原理框圖圖中系統(tǒng)控制電路控制聚焦伺服系統(tǒng)各電路協(xié)調工作。剛開機時，激光頭大多不在聚焦誤差S曲線跟蹤范圍之內，所以必須執(zhí)行聚焦搜索動作，使激光頭物鏡在垂直方向作大幅度上下移動，找到焦點，使物鏡進入聚焦伺服可以控制的范圍。

執(zhí)行聚焦搜索時，系統(tǒng)控制先斷開聚焦伺服環(huán)路，由系統(tǒng)控制向聚焦驅動電路輸入鋸齒波搜索驅動信號，驅動物鏡作上下3次搜索動作。若唱機正常，物鏡動作一次即可完成搜索。找到焦點后，再接通伺服環(huán)路。聚焦搜索的另一作用是判斷機內是否裝入了唱片。當唱片和物鏡之間的距離接近焦距，F(xiàn)OK檢測電路輸出高電平，聚焦搜索停止，接通聚焦伺服環(huán)路開關，使系統(tǒng)進入聚焦跟蹤狀態(tài)。此時，聚焦誤差檢測電路檢測出聚焦誤差信號，經(jīng)放大、相位補償、聚焦驅動電路，驅動聚焦線圈帶動物鏡作垂直方向上下移動，始終跟蹤唱片，實現(xiàn)聚焦伺服控制。（2）循跡伺服系統(tǒng)。循跡伺服系統(tǒng)的工作過程：放大循跡誤差信號，放大后的信號驅動循跡線圈，循跡線圈也套在物鏡上帶動物鏡作水平移動，保持激光束在唱片的放音面上始終對準信息軌跡的中心。循跡伺服系統(tǒng)的控制原理如圖4－9所示。

當激光束偏離信號軌跡時，循跡誤差信號檢測器根據(jù)偏離方向可以獲取不同極性的誤差信號，經(jīng)相位補償、驅動放大后輸出到循跡線圈，控制物鏡作徑向移動，修正激光束的位置偏差，達到循跡伺服目的。圖4－9循跡伺服控制系統(tǒng)原理框圖（3）進給伺服系統(tǒng)。徑向進給伺服是通過徑向進給電機控制整個激光頭在唱片有效工作區(qū)內作徑向移動，屬于循跡粗伺服。而循跡伺服是通過光頭內的循跡線圈控制物鏡在激光頭這個小范圍內作徑向移動，跟蹤唱片軌跡，屬于循跡細伺服。

唱片正常重放時，激光頭物鏡沿螺旋狀音軌進行順次掃描，進給伺服控制激光頭所做的徑向移動是間歇式的，在激光頭停止不動的情況下，物鏡仍可以在一定范圍內對唱片軌跡加以跟蹤。隨著重放的進行，物鏡在循跡伺服的作用下偏離光頭機械中心，向唱片外側移動繼續(xù)跟蹤唱片軌跡，循跡誤差信號逐漸增大。當物鏡不能繼續(xù)向外側移動跟蹤軌跡時，循跡誤差信號也逐漸增大到某一門限電平，徑向進給電機被啟動，推動整個激光頭向唱片外側移動一步，然后光頭再次停下，物鏡重新回到循跡調節(jié)器的機械中心，循跡誤差信號逐漸減小，進給電機停止工作，由物鏡完成循跡細伺服。選曲時，系統(tǒng)控制電路首先斷開進給伺服回路，進給電機被加上一定的正或負電壓，使激光頭快速地從內圈移至外圈或相反。激光頭移動的距離是通過計算以1.6μm為周期的循跡誤差信號的周期數(shù)而確定的。通常，激光頭一次移動很難達到目標位置，在第一次移動后，必須使循跡伺服系統(tǒng)工作，重放信號，計算出與目標位置的偏移量，進行正向或反向的移動修正，完成選曲過程。進給伺服系統(tǒng)的控制原理如圖4－10所示。圖4－10進給伺服系統(tǒng)控制原理框圖（4）主軸伺服系統(tǒng)。主軸伺服的目的，就是使激光頭在單位時間內拾取的信息量為一恒定值。

光盤在刻錄時，是以恒定線速度（CLV）刻錄信息坑點的，激光頭在讀取光盤信息時，也應該勻速讀取坑點信息。由于光盤信息軌跡的半徑各不相同，要保持恒線速度旋轉，主軸電機的轉速應隨光盤半徑增大而變慢。主軸伺服系統(tǒng)控制原理框圖如圖4－11所示。圖4－11主軸伺服系統(tǒng)控制原理框圖激光頭在讀取唱片內圈信息時，唱片轉得快些，約為500r／min；激光頭從內圈向外圈移動時，CD唱片的轉速應逐漸降低，一般由500r/mim減至200r/min，約有2.5倍的變化。由此可見，要保證CD唱片的恒線速度，驅動唱盤的主軸電機必須作變速運動，始終保持光頭與被讀取軌跡的相對速度為1.25m/s。主軸伺服原理是先從EFM信號中，經(jīng)幀同步檢測電路取出幀同步脈沖，主軸電機轉速正常時，幀同步脈沖頻率為7.35kHz（EFM信號數(shù)據(jù)頻率為4.3218MHz，一個信息幀由588位數(shù)據(jù)組成，則幀同步脈沖頻率為4.3218MHz÷588=7.35kHz）。當主軸電機旋轉過快或過慢時，從EFM信號中取出的幀同步脈沖頻率將大于或小于7.35kHz。此時讀出的幀同步脈沖頻率與機內標準的7.35kHz信號同時送至相位比較器，進行頻率、相位比較。比較結果送伺服控制電路，產(chǎn)生主軸伺服誤差信號，經(jīng)驅動放大后，改變主軸電機的旋轉速度，使幀同步脈沖頻率自動鎖定在7.35kHz，以避免由此而引起的圖像抖動和彩色閃爍。

4.數(shù)字信號處理（DSP）電路

1）DSP電路的作用與組成

DSP電路的主要功能是把模擬信號形式的RF信號進一步整形成數(shù)字EFM信號，并進行EFM信號解調，再經(jīng)過糾錯、去交織等處理，輸出音頻數(shù)據(jù)至D/A變換器；同時分離出子碼數(shù)據(jù)，送CPU進行系統(tǒng)控制和顯示。EFM解調與數(shù)字信號處理電路原理框圖如圖4－12所示。圖4－12

EFM解調與數(shù)字信號處理電路原理框圖

2）DSP電路的工作原理

射頻放大器輸出EFM信號送數(shù)字信號處理電路，對VCO進行鎖相，使壓控振蕩器VCO的輸出信號頻率為8.6436MHz，經(jīng)二分頻電路產(chǎn)生4.3218MHz的位時鐘信號；同時，EFM信號經(jīng)閉鎖/邊沿檢波器送23位移位寄存器。

寄存器的輸出分兩路，一路送幀同步檢波器，取出幀同步信號，送主軸伺服電路，控制主軸電機的轉速；另一路送EFM解調器進行解調，將每個14位數(shù)據(jù)恢復為對應的8位數(shù)據(jù)，同時將其中的耦合位去掉，再除去其中的控制字和糾錯字，將剩下的數(shù)據(jù)兩兩配對成16位PCM數(shù)據(jù)。經(jīng)EFM解調后的PCM數(shù)據(jù)信號，一般要先寫入RAM，然后從RAM中讀出，再送回信號處理電路。由于經(jīng)RAM重新讀出的數(shù)據(jù)，受晶體振蕩器產(chǎn)生的位時鐘脈沖控制，從而消除了唱機轉速變化及其抖晃對數(shù)據(jù)讀出的影響。

由RAM重新讀出的PCM數(shù)據(jù)，經(jīng)過CIRC糾錯、補償、去交織等運算處理后，以串行方式輸出串行數(shù)據(jù)到數(shù)字濾波器和D/A變換器，還原出原始模擬音頻信號。子碼解碼器用于從數(shù)據(jù)流中檢測出8位控制數(shù)據(jù)信息，將這些控制信息送微處理器，進行系統(tǒng)控制和顯示。

5.數(shù)字濾波器和D/A變換器

1）數(shù)字濾波器和D/A變換器的作用

數(shù)字濾波器的主要作用是提高音頻信號的信噪比，D/A變換器的作用是將DSP電路輸出的數(shù)字音頻信號轉換成模擬音頻信號。

2）數(shù)字濾波器和D/A變換器的工作原理

D/A變換器在將數(shù)字音頻信號轉換成模擬音頻信號的過程中，會產(chǎn)生量化噪聲和重疊噪聲，降低了音頻信號的信噪比。

數(shù)字濾波器采用過量取樣技術，即通過內插方式使取樣頻率倍增，可以有效降低量化噪聲和重疊噪聲，改善濾波效果，提高音頻信號的信噪比。

D/A變換器把DSP電路輸出的音頻數(shù)字信號轉換成模擬音頻信號，通常有兩種方式：

（1）采用數(shù)字信號直接控制模擬電子開關網(wǎng)絡，通過開關切換權電流或權電阻。例如將16位數(shù)字信號送入由16位電子開關網(wǎng)絡組成的D/A變換器，對應數(shù)字信號為1的電子開關將閉合，將所有對應于數(shù)字1的支路電流相加，再經(jīng)過電流－電壓變換，就可獲得一個與該數(shù)字信號所含1的個數(shù)成正比的模擬電壓值。當連續(xù)不斷的數(shù)字信號輸入D/A變換器，便能獲得原始模擬信號。常用模擬開關網(wǎng)絡的位數(shù)有16位、18位、20位、24位之分。位數(shù)越多，則D/A變換的精度越高，信號還原越準確，信噪比越高，音質、音色的保真度越好。

（2）利用脈沖寬度調制器（PWM）將16bit的數(shù)字信號轉換成比特流，即轉換成脈寬與之數(shù)據(jù)大小相對應的脈沖串，再通過低通濾波器將脈沖串積分成與之大小相對應的音頻信號。

6.控制與顯示系統(tǒng)

1）控制與顯示系統(tǒng)的作用

CD機的控制系統(tǒng)是整機的指揮中樞，如圖4－13所示?？刂葡到y(tǒng)的核心是微處理器，其內部固化了系統(tǒng)軟件程序、存儲器、輸入/輸出接口等。微處理器的輸入信號來自各功能操作按鍵、遙控器、狀態(tài)檢測傳感器、各限位開關所產(chǎn)生的操作信息。微處理器根據(jù)這些信息與CD機的實際工作狀態(tài)進行判斷和運算，產(chǎn)生各種控制指令，輸出到相應的執(zhí)行機構，同時將有關信息通過顯示器顯示出來。圖4－13

CD機的控制系統(tǒng)框圖

2）控制與顯示系統(tǒng)的組成與工作原理

控制系統(tǒng)由電路控制和機械控制兩部分組成。

電路控制包括：按鍵、遙控器、各種開關檢測等信息的輸入、各伺服電路控制、數(shù)字信號處理電路控制、各種信息的顯示控制、音頻電路（如靜噪、去加重）控制等。

機械控制包括：出入盤機構的控制、進給機構的控制等。微處理器輸出各種狀態(tài)信息，驅動多功能顯示屏，可以顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。目前CD機普遍采用液晶顯示或熒光屏顯示方式。由于液晶本身不發(fā)光，所以液晶顯示需借助其它發(fā)光體作為背景光源；熒光顯示是一種真空管式結構，顯示器中的每個字符為一個顯示單元，顯示單元中的字符筆劃由金屬片組成，金屬片上涂以熒光粉，并作為真空管的陽極。顯示器的多個單元共用一個陰極，通過燈絲給陰極加熱，使陰極發(fā)射電子，電子發(fā)射到陽極使陽極發(fā)光，顯示出相應字符。柵極電壓相對陰極為負，可以控制電子飛向陽極，每個顯示單元的柵極連接在一起。為了顯示多種字符，顯示屏通常由多個顯示單元構成，微處理器通過對這些柵極進行快速掃描，實現(xiàn)多字符顯示。

7.電源系統(tǒng)

1）CD機電源系統(tǒng)的作用

CD機的電源系統(tǒng)為數(shù)字處理電路、各種伺服電路、模擬信號放大電路、電機及顯示電路等提供所需的各種電源，其中包括：供CPU及小信號處理電路（LD、RF放大、DSP、數(shù)字濾波器）的5V穩(wěn)壓電源，供驅動電機及音頻放大電路的8V非穩(wěn)壓電源，供多功能顯示屏燈絲的1.5V交流電源和直流30V的屏柵電源等。

2）CD機電源系統(tǒng)的組成與工作原理

CD機的電源系統(tǒng)主要有串聯(lián)調整式穩(wěn)壓電源和開關穩(wěn)壓電源兩種電路形式。串聯(lián)調整式穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等部分組成。基本穩(wěn)壓原理是由取樣電路檢測輸出電壓的變化，通過反饋的方式控制調整管的導通狀態(tài)，使輸出電壓基本保持不變。串聯(lián)調整式穩(wěn)壓電源的結構框圖如圖4－14所示。圖4－14串聯(lián)調整式穩(wěn)壓電源的結構框圖開關穩(wěn)壓電源的核心是一個DC/DC變換器，基本穩(wěn)壓原理是由取樣電路檢測輸出電壓的變化，通過反饋的方式改變開關脈沖的占空比或頻率，使輸出電壓基本保持不變；另外通過改變開關變壓器的匝數(shù)比可獲得不同的直流電壓。開關電源的結構框圖如圖4－15所示。圖4－15開關電源的結構框圖

8.CD機實用電路分析

采用Sony方案的CD機主電路框圖如圖4－16所示。主要電路由以下四塊集成電路組成：

D110：RF信號處理電路CXA1821M。

D109：數(shù)字信號處理與數(shù)字伺服處理電路CXD2545Q。

D105：聚焦、循跡、進給和主軸電機驅動電路BA6392FP。

D111：加載電機驅動電路BA6209A。圖4－16

Sony方案的CD機主電路框圖該電路工作時，激光頭將唱片反射回來的激光信號轉換為高頻電信號，送RF信號處理電路D110，該高頻信號經(jīng)D110放大、整形等處理，輸出EFM信號送數(shù)字信號處理和數(shù)字伺服處理電路D109。D109的輸出信號分兩路，一路為聚焦誤差、循跡誤差等伺服信號，送D105進行驅動放大后，分別實施對聚焦線圈、循跡線圈、進給電機、主軸電機的伺服控制；另一路為數(shù)據(jù)信號，包括串行數(shù)據(jù)（DATA）、位時鐘（BCK）、左右聲道信號（LRCK）等，該路信號送解碼電路，還原模擬音頻信號。復位時鐘和數(shù)據(jù)通信電路如圖4－17所示。接通電源瞬間，復位脈沖對微處理器進行復位，同時輸出復位脈沖送D109的81腳，D109完成復位后，電路進入正常工作狀態(tài)。圖4－17復位時鐘和數(shù)據(jù)通信電路圖4－18托盤進/出控制電路當微處理器收到閉倉（CLOSE）指令時，從D111的3腳輸入加載信號，經(jīng)D111放大后，由7、8腳輸出驅動電流，使加載電機正轉，將托盤水平移動至機內播放位置。托盤到位后，位置開關S1閉合，將托盤進倉到位的信息輸入微處理器，微處理器輸出信號控制加載電機停轉，完成托盤進倉動作。

當微處理器收到開倉（OPEN）指令時，微處理器向D111的2腳輸出卸載信號，經(jīng)D111放大后，由7、8腳輸出反向驅動電流，使加載電機反轉，將托盤水平外移至機外固定位置。托盤到位后，位置開關S2閉合，將托盤出倉到位的信息輸入微處理器，微處理器輸出信號控制加載電機停轉，完成托盤出倉動作。圖4－19激光頭組件控制電路

CD機加電后，激光頭被復位，微處理器輸出激光二極管工作指令（LDON），并送D110的19腳，D110的1腳被置于低電平，三極管V103導通，為激光二極管LD提供驅動電流，激光二極管發(fā)射激光。

當激光強度過強或過弱時，激光檢測二極管PD將激光強度轉變?yōu)殡娦盘査虯PC電路，經(jīng)APC電路運算放大后，通過改變D110的1腳電壓，控制V103的導通狀態(tài)，改變LD的發(fā)光強度，達到自動控制LD發(fā)光功率的目的。圖中電位器用于設置PD的偏置電壓，調整電位器可設置LD發(fā)射的初始激光功率。索尼機芯激光頭采用6分光敏接收器，如圖4－17所示。其中光敏管A、B、C、D用于接收主激光束，產(chǎn)生聚焦誤差信號與RF信號；兩個邊緣光敏管E、F接收輔助激光束，產(chǎn)生循跡誤差信號。

若物鏡聚焦良好，主激光束照在A、B、C、D上的是一個正圓，如圖4－20（a）所示，各光敏管接收相等光通量，則(A+C)-(B+D)＝0，此時無聚焦誤差信號輸出。當物鏡聚焦不良時，照在A、B、C、D上的是一個橫向或豎向橢圓，如圖4－20（b），（c）所示，此時在A、B和C、D上的光通量不等，即(A+C)-(B+D)≠0，此信號即為聚焦誤差信號。圖4－20激光頭6分光敏接收器如圖4－19所示，將聚焦誤差信號送D109進行數(shù)字處理，由D109的8、9腳輸出聚焦伺服PWM信號，經(jīng)D105進行聚焦驅動放大，由D105的1、2腳輸出驅動信號，接入聚焦線圈，聚焦線圈帶動物鏡進行垂直移動，保持最佳聚焦狀態(tài)。

光敏二極管E、F為循跡伺服提供誤差信號，激光頭的兩束輔助光束經(jīng)唱片反射后照射在E、F上。當激光束循跡正確時，E、F上的光信號強度相等，E-F=0，無循跡誤差信號產(chǎn)生；當激光束循跡發(fā)生偏離時，E、F上的光信號強度不相等，E-F≠0，此信號即為循跡誤差信號。將該信號送D109進行數(shù)字處理，由D109的4、6腳輸出循跡伺服PWM信號，經(jīng)D105進行循跡驅動放大，由D105的12、13腳輸出驅動信號，接入循跡線圈，循跡線圈帶動物鏡進行水平微動，保持最佳循跡狀態(tài)。進給誤差信號也由光敏接收器E、F產(chǎn)生。將循跡誤差信號經(jīng)低通濾波器取出低頻成分，形成進給誤差信號。將該信號送D109進行數(shù)字處理，由D109的2、100腳輸出進給伺服PWM信號，經(jīng)D105進行進給驅動放大，由D105的16、17腳輸出驅動信號，驅動進給電機轉動，并帶動激光頭作步進水平位移，但位移量不可超出循跡伺服控制范圍。

由D110輸出的RF信號送D109進行數(shù)字處理，由D109的96腳輸出主軸伺服PWM信號，經(jīng)D105進行驅動放大，由D105的26、27腳輸出驅動信號，驅動主軸電機轉動。由于采用了PLL鎖相環(huán)電路，主軸驅動信號與位時鐘頻率保持嚴格同頻同相，使主軸電機保持恒線速度轉動。

實訓8

CD機機芯的拆卸與安裝

1．實訓目的

(1)掌握CD機機芯拆卸與安裝的一般方法及基本操作技能。

(2)掌握CD機機芯拆卸與安裝的注意事項及安全規(guī)范。

2．實訓設備與工具

CD機1臺，防靜電工作臺1張，平口金屬夾2個，防靜電無塵軟布1塊，塑料零件盒1個，常用電子操作工具1套。

3．實訓內容、方法與步驟

（1）CD機的拆卸步驟。機蓋→帶倉前蓋→機芯組件→夾持蓋→碟片托盤→激光頭→前面板→印刷板→后蓋組件。

（2）拆卸上機蓋。拔下電源插頭，用螺釘旋具（十字螺刀）擰下機身兩邊和后邊的螺釘，然后輕輕拉開左右兩邊，并將機蓋后半部分向上微抬，取下機蓋，如圖4－21所示。圖4－21上機蓋拆卸示意

(3）拆卸帶倉前蓋。

通電拆卸：插上電源插頭，按下進/出盒鍵，打開托盤，如托盤內有光盤，取出放妥，用雙手將帶倉前蓋向前拔出，按下進/出盒鍵，關閉托盤，拔下電源插頭。

斷電拆卸：拔下電源插頭，用手轉動帶倉電機的皮帶輪，打開托盤，如托盤內有光盤，取出放妥，用雙手將帶倉前蓋向前拔出，用手轉動帶倉電機的皮帶輪，關閉托盤。拆卸帶倉前蓋如圖4－22所示。圖4－22帶倉前蓋拆卸示意（4）拆卸機芯組件。用螺釘旋具（十字螺刀）擰下機芯與機箱連接的螺釘，然后輕輕向后上方拉出機芯，如圖4－23所示。圖4－23機芯組件拆卸示意（5）拆卸夾持蓋。將夾持蓋兩邊的2個卡簧片輕輕向外撥動（雙手配合），使夾持蓋與機芯架松脫，然后向上方取出夾持蓋。

（6）拆卸碟片托盤。用鑷子將碟片托盤的固定彈簧取下，取出固定片，用手轉動帶倉電機的皮帶輪，向外移出托盤，同時將橫臂與旋轉凸輪脫離，用小平口螺刀將托盤兩邊的2個塑料卡簧片輕輕向外撥動（兩邊配合），使托盤與機芯架松脫，然后輕輕向前方推出碟片托盤。（7）拆卸激光頭。將激光頭與印制電路板相連的柔性接線排輕輕拔出，立即用平口金屬夾使軟排線短路，以防靜電損壞激光二極管，用手轉動帶倉電機的皮帶輪，使激光頭上升到位，用平口螺刀輕輕撬出激光頭四角的4個塑料卡銷，取出激光頭，用防靜電無塵軟布包裏，以防損壞光學機構。

（8）拆卸前面板。

（9）拆卸印刷板和后蓋組件。

（10）CD機的安裝步驟，需依照拆卸步驟的相反順序依次進行。

4．實訓注意事項

（1）工作臺應保持整潔和干燥，鋪墊防靜電橡膠，無雜物和金屬物。

（2）應詳細記錄各機構件的原始位置、緊固方式，緊固件的類型、數(shù)量和安裝位置，對于非金屬緊固件，必須確認其緊固原理，謹慎操作。

（3）實訓結束，所有的機構件應恢復原始位置，所有的卡、銷、簧、連桿、支架、齒輪等準確到位，所有的緊固件緊固力矩符合要求。

（4）拔插連接線時，應抓住接插件輕輕拔插，不得抓住導線拔插，并記錄連接線的安裝位置和方向。（5）拔出激光頭和主板的軟排線后，應立即將其短路。

（6）取出激光頭后應將其包裹在防靜電軟布中。

（7）拆卸后的機芯（包括激光頭組件）不可放入碟片通電試機，以免碟片飛出，導致人員或設備的損傷。

（8）拆卸后的機芯若需通電檢查，應注意人身安全。

（9）保持前面板、顯示屏和整機外殼的裝飾完整、清潔，不得與硬物擦碰。

5．實訓報告與要求

對實訓過程進行總結，并回答以下問題：

（1）拆裝CD機的過程中有哪些注意事項？

（2）簡述CD機的一般拆卸步驟。

（3）實訓機的機芯由哪些機構組成？

（4）實訓機有幾只電動機，各有何作用？

實訓9

CD機信號測試

1．實訓目的

（1）學會用示波器測量RF眼圖信號和晶振時鐘信號。

（2）學會用示波器測量數(shù)字信號。

（3）學會用示波器測量模擬音頻信號。

2．實訓儀器設備

CD機1臺，彩色電視機1臺，測試盤1張，萬用表1只，示波器（20MHz）1臺、常用電子操作工具1套。

3．實訓內容、方法與步驟

1）用示波器測量RF信號波形

測試點為RF信號處理器的輸出端（一般電路板上均標明有“RF”字樣）。

（1）使示波器的設定電壓為200mV／div，掃描時間為0.5μs，輸入狀態(tài)為AC。

（2）將示波器探頭接電路板上的RF信號測試點，接通電源，播放測試光盤，即可在示波器上觀察到RF眼圖信號波形。

2）用示波器測量聚焦伺服跟蹤情況

測試點為主電路板上“FE”輸出端（一般電路板上均標明有“FE”字樣）。

將示波器探頭接到電路板上的“FE”信號測試點，接通電源，播放測試光盤，用示波器觀察聚焦伺服跟蹤變化情況。當操作功能鍵由停止（STOP）向播放狀態(tài)切換時，聚焦伺服的噪聲帶將由大變小，然后穩(wěn)定在某一區(qū)域。

3）用示波器測量循跡伺服跟蹤情況

測試點為主電路板上“TE”輸出端（一般電路板上均標明有“TE”字樣）。

將示波器探頭接到電路板上的“TE”信號測試點，接通電源，播放測試光盤，用示波器觀察循跡伺服跟蹤變化情況。當操作功能鍵由停止（STOP）向播放狀態(tài)切換時，循跡伺服的噪聲帶將由大變小，然后穩(wěn)定在某一區(qū)域。

4）用示波器（或數(shù)字頻率計）測量晶振時鐘信號

（1）CPU工作時鐘測量。測試點為CPU集成電路外接晶振元件的引腳處。

（2）DSP電路主時鐘測量。測試點為DSP電路的晶振主時鐘引腳處。

5）用示波器測量數(shù)字信號

測試點為DSP處理器的串行PCM信號輸出端。利用示波器測量DSP解碼器輸出串行PCM信號測量（含數(shù)據(jù)DATA、位時鐘BCLK和聲道時鐘LRCK）。

4．實訓注意事項

（1）操作示波器時應輕、慢、穩(wěn)。

（2）示波器探頭不要直接測量集成電路引腳，避免短路。

5．實訓報告與要求

（1）什么是眼圖，對其波形參數(shù)有何要求？

（2）畫出測量波形并記錄波形參數(shù)。

4.2

CD機相關知識

4.2.1

CD光盤的結構

CD光盤是一種高精度的信息存儲載體，常用的CD光盤有8cm和12cm兩種。圖4－24所示為12cmCD光盤的結構示意圖。圖4－24

12cmCD光盤的結構示意圖由圖4－24可見，CD光盤的標準直徑為12cm，光盤中央的中心孔直徑為15mm，在刻錄與播放時用于定位光盤；在中心孔之外26～36mm之間為夾持光盤區(qū)，用于固定光盤；46～50mm之間為導入?yún)^(qū)；50～116mm之間為信息區(qū)，是用戶所需的主要數(shù)據(jù)信息區(qū)；116～117mm之間為導出區(qū)；117～120mm之間為光盤的邊沿區(qū)。

由光盤的剖面圖看，光盤分為三層：一層為透明光盤基板，一般多用聚氯乙烯(PVC)、丙烯基(PMMA)或聚碳酸脂(PC)等構成，其中聚碳酸脂作為制造CD光盤的基本材料，具有耐熱、耐濕及良好的成型性能；中間層為氧化鋁反射涂層，用金屬薄膜鋁采用蒸鍍方法形成；在反射層上面是保護層，一般由硬樹脂制成。在保護層上面為標簽面。光盤重量控制在14～33g之間。4.2.2

CD光盤信號的記錄

1.CD光盤信號的記錄過程

CD光盤信號的記錄過程如圖4－25所示。雙聲道音頻信號經(jīng)低通濾波器濾除20kHz以上的噪聲信號，經(jīng)A/D變換器分別將L、R雙聲道音頻信號變?yōu)?路16bit的數(shù)字信號，再經(jīng)多工編輯器1，按照一定的規(guī)律將2路信號合并為1路數(shù)字碼流信號，多工編輯器1的工作狀態(tài)受聲道時鐘脈沖控制。串行數(shù)字碼流信號經(jīng)糾錯編碼器將16bit的串行數(shù)字碼流分為高8bit和低8bit的2個字長數(shù)據(jù)字，再將每個8bit數(shù)據(jù)字的排列順序打亂，按照特定算法重新排序，稱為交織處理。然后在每12個數(shù)據(jù)字節(jié)(1字節(jié)＝8bit)之后插入4個字節(jié)的CIRC糾錯碼，經(jīng)多工編輯器2將代表字符顯示等信息的控制碼（稱為子碼）加到數(shù)據(jù)碼流的特定位置，再將8bit的串行數(shù)據(jù)碼流依據(jù)特定規(guī)則擴展為14bit，稱為EFM調制。還需經(jīng)多工編輯器3加入24bit的幀同步碼，最后再以激光刻蝕的方式將數(shù)字碼流信息記錄在光盤上，光盤上記錄的數(shù)字信息呈坑點狀態(tài)。圖4－25

CD光盤信號的記錄過程

2.CD光盤信號處理技術

1）音頻信號脈沖編碼調制技術

數(shù)字音頻信息記錄在CD光盤上，采用的是脈沖編碼調制（PulseCodeModulation）方式，即PCM方式。

PCM方式包括取樣、量化和編碼三個基本環(huán)節(jié)。音頻信號經(jīng)低通濾波器濾波后，由取樣、量化、編碼三個環(huán)節(jié)完成PCM調制，實現(xiàn)A／D變換。形成的PCM數(shù)字信號再經(jīng)糾錯編碼和調制后，錄制在CD光盤上。放音時，從CD光盤上取出數(shù)字信號，經(jīng)解調、去交織等處理，恢復為PCM數(shù)字信號，再由D／A變換器和低通濾波器還原成模擬音頻信號。需要指出，上述數(shù)字信號處理過程必須在同步信號的嚴格控制下才能進行。（1）取樣。對振幅隨時間連續(xù)變化的模擬信號波形按一定的時間間隔進行抽樣，形成在時間上不連續(xù)的脈沖序列，稱之為取樣。這個時間間隔稱為取樣周期，其倒數(shù)即每秒的取樣次數(shù)，稱為取樣頻率。

根據(jù)奈奎斯特（Nyguist）取樣定理，如果取樣頻率大于模擬信號上限頻率的2倍，就不會在取樣中丟失信息，可以使頻帶內的全部信息得到真實的復原。音頻信號的頻率上限為20kHz，則取樣頻率應為40kHz。為了避免重疊效應，CD光盤數(shù)字信號的取樣頻率為44.1kHz。當取樣頻率與被取樣信號頻率較為接近，如20kHz以上的頻率成分進入模/數(shù)變換器時，便會產(chǎn)生屬于音頻范圍的重疊頻率，很有可能引起重疊效應。所以，音頻信號在進行模數(shù)變換前，要先經(jīng)過一個低通濾波器，濾除20kHz以上的頻率成分，使重疊效應減少到最低限度。（2）量化。將模擬信號的幅度動態(tài)范圍劃分為相等間隔的若干等級，把取樣輸出的信號電平按照四舍五入的原則歸入最靠近的量值等級，稱之為量化。顯然，實際取樣值和歸入的量值是有差別的，稱為量化誤差。劃分的等級愈多，量化誤差就愈小。在CD光盤數(shù)字信號編碼中，量化等級為216＝65536級。

（3）編碼。把取樣、量化所得的量值變換為二進制數(shù)碼的過程稱為編碼。在CD光盤數(shù)字信號編碼中，通常采用16bit（位）二進制數(shù)表示一個量值，即量化位數(shù)為16bit。

經(jīng)上述取樣、量化和編碼后所得到的數(shù)字信號稱為PCM編碼信號或PCM數(shù)字信號。

2）糾錯編碼技術

在CD光盤的制作或使用過程中，當由于某種原因使光盤表面產(chǎn)生了劃痕或出現(xiàn)了臟物時，都有可能使光盤上讀出的數(shù)據(jù)與原來所記錄的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，使重放聲音出現(xiàn)失真。因此，必須采取糾正誤碼的措施。

CD機糾錯的基本思路是將附加數(shù)據(jù)（如奇偶校驗位）加于數(shù)據(jù)流中，并錄制在光盤上。重放時，CD機中的糾錯電路通過奇偶校驗位來識別有錯誤的數(shù)據(jù)字，并給予糾正。具體方法有靜噪、保持前面的字、線性內插等方式。（1）靜噪。由識別電路將發(fā)生差錯的數(shù)據(jù)字檢測出來后，靜噪電路將在出現(xiàn)差錯的地方使揚聲器不發(fā)出聲音，達到去除數(shù)據(jù)字的效果。但是靜噪只是在糾錯過程中起作用，并且通常是在連續(xù)發(fā)生差錯的情況下有效。

（2）保持前一字。模/數(shù)變換電路對原始模擬信號取樣后，每一個取樣值都被變成一個16位的數(shù)據(jù)字，16位數(shù)據(jù)字從全0到全1共有65536種不同組合。如果發(fā)生差錯，用前面的數(shù)據(jù)字替代有差錯的數(shù)據(jù)字，其結果與未發(fā)生差錯的數(shù)據(jù)流相比，誤差為1/65536，人的耳朵很難感覺出如此小的誤差所引起的聲音的改變。所以，保持前一字是一種可接受的糾錯方法。（3）線性內插。取差錯字的前一個數(shù)據(jù)字和后一個數(shù)據(jù)字的平均值，并用此值去替代這個差錯字，稱為線性內插，使用這種方法能得到更精確的糾錯。

（4）奇偶校驗。進行糾錯，首先要在串行數(shù)據(jù)碼流中判別是否出錯及錯在何處，CD技術是利用數(shù)據(jù)的奇偶性來判斷的。具體做法是先將串行數(shù)據(jù)分組矩陣排列，然后在每行和每列數(shù)據(jù)的最后插入校驗位0或1，0或1的選擇依據(jù)是使該行或該列全部數(shù)據(jù)碼中的1的個數(shù)總是為偶數(shù)或奇數(shù)（含校驗位）。重放過程中若有誤碼產(chǎn)生（1變0或0變1），則該誤碼所在的行和列的奇偶性必將發(fā)生變化，由此便可確定該組數(shù)據(jù)中有無誤碼產(chǎn)生和產(chǎn)生誤碼的準確位置。誤碼位置確定了，糾錯的任務就是將該誤碼作反變換，即0變1或1變0。（5）里德所羅門(CIRC)糾錯編碼。里德所羅門(CIRC)糾錯編碼又稱交叉交織糾錯編碼，通過對數(shù)據(jù)進行交織和去交織處理，將連續(xù)誤碼拆分為離散的隨機誤碼，使光盤在重放過程中出現(xiàn)數(shù)千位以內的連續(xù)誤碼均能得到有效糾正。

基本思路是：記錄在光盤上的串行數(shù)字信號，不是按原有數(shù)字信號的排列順序記錄的，而是依據(jù)一定的規(guī)律將數(shù)字信號順序重新排列后，再記錄在光盤上，稱為交織處理。重放光盤信息時，按照相反的規(guī)律將數(shù)字信號的排列順序再恢復為最原始的排列順序，稱為去交織。這樣，信號重放時出現(xiàn)的連續(xù)錯碼（群誤碼）經(jīng)去交織處理后，群誤碼被拆分，連續(xù)誤碼變成了隨機誤碼，從而極大地提高了對誤碼的識別和糾錯能力。

3）EFM調制技術

模擬音頻信號經(jīng)取樣、量化、編碼和糾錯編碼后形成的數(shù)字信號，還不宜直接記錄在光盤上。因為在數(shù)據(jù)流中可能會出現(xiàn)16位全部為0或1的情況，從光盤上讀取這些數(shù)據(jù)時會使信號輸出不穩(wěn)定，也會造成伺服系統(tǒng)不穩(wěn)定。為此，必須對糾錯后輸出的數(shù)字信號進行碼形變換，以利于記錄和重放，這個過程稱為調制，CD光盤采用EFM調制方式。

EFM是英文EighttoFourteenModulation的縮寫，即8位擴展到14位調制。先將糾錯編碼后的數(shù)據(jù)字進行分割，即每個16位數(shù)據(jù)字分成兩個8位數(shù)據(jù)字，而每個8位數(shù)據(jù)字又被擴展成14位，作為最終的記錄數(shù)據(jù)。這樣做的目的是為了防止兩個及兩上以上的1連續(xù)出現(xiàn)，限制連續(xù)為0的數(shù)目，使重放時易于讀出，并保持信號和同步的穩(wěn)定。

EFM調制規(guī)定，將8位數(shù)據(jù)字擴展為14位數(shù)據(jù)字時，不能有兩個連續(xù)的數(shù)字1出現(xiàn)；每兩個1之間0的數(shù)目最少限制為2個，最多限制為10個，共有9種狀態(tài)；同時規(guī)定，每逢數(shù)據(jù)字為1時，表示數(shù)據(jù)的脈沖電平改變一次。

在CD光盤中，用凹坑或平臺代表1和0，經(jīng)過EFM調制后，凹坑與平臺的長度被限制在3～11個碼元周期（3T~11T）之間，這樣既便于讀出，也不至于連續(xù)0過多而導致不穩(wěn)定。8位數(shù)據(jù)字共有28＝256種排列方式，經(jīng)EFM變換為14位數(shù)據(jù)字后共有214＝16384種排列方式，其中只有267種排列方式符合上述EFM調制的規(guī)定，可從中選擇256種用來記錄聲音數(shù)據(jù)，使每一個8位數(shù)據(jù)都能對應其中一個14位數(shù)據(jù)。

EFM還規(guī)定，每兩個14位數(shù)據(jù)字之間插入3位偶合位。這是因為，當一個14位數(shù)據(jù)字以1結尾，而下一個14位數(shù)據(jù)字又以1開始時，出現(xiàn)了連續(xù)兩個1的情況，插入偶合位可以實現(xiàn)連續(xù)兩個1的有效隔離，使數(shù)據(jù)連接更加符合EFM調制的規(guī)定，并盡量減少已調制信號中的直流分量和低頻分量。

3．CD光盤數(shù)據(jù)的記錄格式

CD光盤數(shù)據(jù)的記錄采用幀結構格式，這是由于不采用幀結構格式時，當CD光盤出現(xiàn)缺陷，使信號長時間失落，或由于光盤抖動使數(shù)字信號偏移了一位，那么以后的重放信號都會由此出錯而不能恢復正常。采用幀結構格式后，在記錄數(shù)字信號時，把連續(xù)的數(shù)字信號分割為相對獨立的小數(shù)據(jù)字段，這樣的字段稱為幀，在幀與幀之間插入作為分割符的幀同步信號。這樣做之后，即使由于某種原因使重放信號丟失或混亂，由于有幀同步信號的存在，也能使下一幀信號到來時被強制同步，使重放信號恢復正常。

CD光盤數(shù)據(jù)每一幀共588位，依據(jù)功能不同分為6段，依次排列順序為：24位同步字（同步碼）、14位控制字（控制碼）、12字節(jié)的音頻數(shù)據(jù)、4字節(jié)的糾錯碼、12字節(jié)的音頻數(shù)據(jù)、4字節(jié)的糾錯碼。另外在同步碼、控制碼之間以及音頻數(shù)據(jù)、糾錯碼的每兩個字節(jié)之間共設有34個耦合碼，每個耦合碼由3位二進制數(shù)字組成，作為數(shù)據(jù)段或字節(jié)之間的分段連接標志。CD光盤數(shù)據(jù)的幀結構格式如圖4－26所示。圖4－26

CD光盤數(shù)據(jù)的幀結構格式其中，幀同步碼的作用是為了保證重放時能夠保持原信號的順序和節(jié)奏，準確地復原出原始音頻信號。控制碼（子碼）的作用是為光盤提供識別信息，方便節(jié)目的快速定位、檢索、顯示和編輯。

除了幀同步碼、控制碼、耦合碼外，實際每幀中只有24字節(jié)（24×14bit）用于傳輸音頻信息。通常將98個幀組成一個播放段，又稱為一個扇區(qū)，每一個扇區(qū)有98×24＝2352字節(jié)的音頻數(shù)碼信息，一首歌曲就是由許多個這樣的扇區(qū)組成。重放時，依次從扇區(qū)各幀讀出音頻數(shù)碼信息，先存儲到緩沖存儲器內形成流暢的數(shù)碼流，再經(jīng)數(shù)/模變換、低通濾波形成模擬音頻信號。

4.3

CD機拓展知識

4.3.1

MD機

1.MD機的特點及性能

MD機的磁光盤直徑為64mm，雖然其直徑只有普通CD光盤的二分之一左右，但可以記錄和重放74分鐘的高質量數(shù)字音樂，記錄節(jié)目的持續(xù)時間和重放音質水平與CD機相當，這是由于采用了特殊的音頻數(shù)字信號壓縮技術。

MD機播放的信息是以磁場的形式記錄在磁光盤上的，所以MD機拾取信息的原理與CD機完全不同。MD機重放時，激光束照射在磁光盤上，利用磁光效應，使磁光盤上的磁場信息轉換為光信息，激光頭拾取這些光信息后再轉換為電信號。

MD機既可以放音又可以錄音，磁光盤可重復錄音達100萬次以上。磁光盤上的信息是通過磁頭記錄在磁光盤上的，基本原理與磁帶錄音機相似，區(qū)別在于磁帶錄音記錄的是模擬信號，MD磁光盤記錄的是數(shù)字信號。

MD機體積小、抗震性能好，隨機選曲等操作簡便，特別適于配置在汽車立體聲音響系統(tǒng)內。MD機主要性能及規(guī)格見表4－1。表4－1

MD機主要性能及規(guī)格

2.MD機的基本組成

MD機的伺服、控制、顯示系統(tǒng)的工作原理以及激光讀取數(shù)據(jù)的過程與CD機基本相同。MD機的信號處理電路也采用EFM調制、里德所羅門（CIRC）糾錯編碼等技術。此外，MD機還要進行ATRAC編碼和解碼，實現(xiàn)對音頻數(shù)字信號的高速率壓縮。MD機的電路組成如圖4－27所示。圖4－27

MD機的電路組成

3.MD機的工作原理

MD機絕大部分電路的工作原理與CD機相同，除此之外，MD機也采取了幾項專有技術。

ATRAC編碼壓縮技術是MD機采用的獨特頻帶壓縮技術，ATRAC是AdaptiveTransformAcousticCoding的英文簡稱，意為自適應變換音頻編碼壓縮技術。

ATRAC編碼壓縮技術的理論依據(jù)是人類聽覺的閾值特性和掩蔽特性。聽覺閾值特性是指聲音必須達到一定的強度才能被聽到，而且聲音的頻率不同，能聽到的最低聲音的強度大小也不同。研究表明，人耳對3～4kHz頻率范圍的聲音靈敏度最高，而對于低頻段和高頻段則靈敏度較低。所以，將聽覺閾值以下的聲音頻率濾除，對聲音傳輸質量的影響并不明顯。聽覺的掩蔽特性是指強信號會掩蓋臨近的弱信號，包括臨近頻域的弱信號和臨近時域的弱信號。在強信號的掩蔽下，人耳通常聽不到這些弱信號的存在。所以，將強信號臨近的弱信號舍棄，同樣不會顯著影響音質。

ATRAC編碼壓縮技術正是依據(jù)人耳上述特性，適當舍棄一些聽覺閾值以下的聲音信息和強信號臨近的弱信號信息，保留容易感知的聲音信息，使聲音的信息量大大下降，通常可下降為原信息量的1/5～1/6左右，同時保持聲音的質量基本不變。

抗震保持技術可以消除由于機械震動使激光頭偏離軌跡的現(xiàn)象。MD機設有一個高性能的抗震動緩沖存儲器，可以存儲約3秒鐘時長的音樂數(shù)據(jù)。MD機使用過程中出現(xiàn)震動，使激光頭偏離軌跡，拾取信號被中斷，此時可以將緩沖存儲器內震動前存儲的節(jié)目數(shù)據(jù)取出，替代中斷的信號。通常人耳對這種暫時的信號替代不易分辨。抗震動緩沖存儲器采用的是1Mb的DRAM。MD機激光頭以1.4Mb/s的速率將磁光盤上的信息讀出后，先將這些數(shù)據(jù)存儲在DRAM中，然后再將DRAM中的數(shù)據(jù)以0.3Mb/s的速率讀出送解碼器進行解碼。DRAM中的數(shù)據(jù)始終處于動態(tài)存取狀態(tài)，由于存的速率大于讀的速率，因此DRAM可以持續(xù)不斷地向解碼器提供數(shù)據(jù)。即使激光頭拾取信號暫時中斷，只要在3秒內恢復，就不會影響DRAM信號的正常輸出，放音也不會中斷。雙功能激光唱頭可以兼容播放CD光盤和MD磁光盤，它是在CD激光頭基礎上增加可以檢測磁光信號的功能部分構成。在記錄和播放磁光盤時，激光束照射到磁光盤上，反射回來的激光偏振方向隨光盤上磁信號的N/S方向而變化（又稱Kerr效應），實現(xiàn)了磁光信號轉換。再采用偏振光分光鏡，將反射光分配到兩個光電探測器，使它們分別對應磁光盤上的1和0兩種磁化方向，其接收的光強之差就可構成MD信號。

磁性調制錄音技術可在激光抹音的同時進行磁性錄音。錄音時，較強功率的激光束（約4mW）由旋轉光盤下方照射到光盤軌跡上，光盤上的磁性光學介質被加熱到居里點溫度（180℃）以上，使磁性材料退磁，將原有的磁信號抹去。隨著光盤旋轉，經(jīng)激光照射后的磁性光學介質溫度下降，MD機的錄音系統(tǒng)將數(shù)字信號提供給位于光盤上方的錄音磁頭，MD光盤上的磁性材料又會被磁化，產(chǎn)生了與數(shù)字錄音信號0和1相對應的N/S磁場，完成MD信號的錄制。4.3.2

MP3播放器

1.MP3基本知識

MP3是MPEG1AudioLayer3的簡稱，是一種高效率計算機音頻編碼方案。它采用MPEG1壓縮標準的第三層編碼方案，是一種有損數(shù)字音頻壓縮格式。其存儲媒體采用（快閃）Flash存儲器，可以方便地進行數(shù)據(jù)改寫，停電后數(shù)據(jù)又不會丟失。它以較大的壓縮比將音頻文件轉換成較小容量的擴展名為.MP3的文件，