Цифровая оптическая запись звука 5. 1. Физические основы записи - воспроизведения

Под современной цифровой оптической записью звука на диско­вых носителях понимается оптическая рельефно-фазовая запись с от­ражающим покрытием. Такая запись фонограммы осуществляется в виде изменений микрорельефа вдоль спиральной дорожки на прозрачном оптическом диске. Этот микрорельеф представляет собой последователь­ность микро углублений, называемых питами. У них всех одинаковая ширина и глубина, а цифровая информация записывается в виде дискрет­ных изменений длительности этих питов и расстояний между ними (рис. 26, а).

Именно такая запись используется во всех оптических дисковых системах цифровой записи звука, приведенных в табл. 1.

Практически она реализуется путем тиражирования с использова­нием матрицы, как это делалось ранее при изготовлении виниловых грам­пластинок. На рис. 26, 6 приведена схема воспроизведения отражающей рельефно-фазовой записи сфокусированным лазерным излучением.

Для разделения падающего и отраженного пучков света использу­ется полупрозрачное зеркало, которое 50% энергии излучения пропускает и 50% отражает. Фотоприемник расположен в дальней зоне дифракции. На этом рисунке запись представлена в виде разреза вдоль дорожки. Вся поверхность диска с записью покрыта тонкой пленкой хорошо отражаю­щего излучение покрытия из алюминия или серебра. Воспроизведение производится на отражение сквозь достаточно толстую оптически про­зрачную основу диска. Со стороны микрорельефа на диск нанесено не­прозрачное защитное покрытие.

Глубина питов определяет разность оптического хода световых лучей, отражающихся от дна питов и промежутков между ними. Она приводит к фазовой модуляции отраженного светового пучка. Глубина фазовой мо­дуляции максимальна, когда фазовый сдвиг отраженных лучей ф равен тс. Требуемая для этого глубина питов у рассчитывается по формуле

у = _ФХ/471_£ , (42)

где е - коэффициент преломления основы оптического диска, % - длина волны излучения лазера. Если используется лазер с инфракрасным, излу-чением х = 800 нм и материал диска имеет коэффициент преломления 1, 5, тогда у = 135 нм.

Лазерное излучение фокусируется с помощью микро объектива, основным параметром которого является числовая апертура NA (рис. 27, а), равная

NA = Sin4> ₀, (43)

где *F₀ - угол сходимости светового пучка при фокусировке. Сфокусиро­ванное излучение лазера имеет распределение интенсивности в попереч­ном сечении близкое к дифракционной картине Эйри (рис. 27, б). Диаметр сфокусированного пятна измеряется по первому черному кольцу этой картины и рассчитывается по формуле

ф = _Х/Л^. (44)

Если NA = 0, 45 их=800нм, то ф= 1, 78 мкм, что соответствует харак­теристикам системы «Компакт-диск».

Сфокусированное излучение лазера имеет общий угол (24* ₀) около 60 °, поэтому диаметр светового пятна на поверхности диска равен 0, 8 мм. Благодаря этому возможные дефекты внешней поверхности в виде мелких царапин и пылинок размером до 0, 5 мм находятся далеко вне фо­куса объектива, они пространственно фильтруются и не оказывают влия­ния на качество воспроизведения.

Сфокусированное излучение имеет перетяжку, где диаметр свето­вого пятна почти не меняется (рис. 27). Длина этой перетяжки называется глубиной фокуса, она определяется простым равенством

G = %/(NA)². (45)

Для приведенных выше данных G = 3, 8 мкм (±1, 9 мкм). Глубина фокуса определяет необходимую точность работы системы автоматической фо­кусировки.

На глубину фазовой модуляции сильное влияние оказы_{6ает соот}. ношение диаметра считывающего пятна света и ширины ДОр^_жки Q_Ha достигает максимальной величины, когда диаметр пятна прим^__{н0 втоое} больше ширины питов (рис. 26, а). В этом случае энергия лу_{чей 0TDa}. женных от дна пита, близка к энергии лучей с нулевым фазовьиц _Сд'_вигом отраженных от поверхности вокруг пита. Это связано с ^HePaB*j_0MeDHbI1J распределением интенсивности в сфокусированном пятне света /_рис 27) которое наиболее близко описывается законом Гаусса. Из этог^ следует что если диаметр пятна равен или меньше ширины дорожки, т_{0 ГЛУ}б_ИНа фазовой модуляции будет очень мала, и таким пятном ^в°спь_{оизвести} рельефно-фазовую запись нельзя.

Дорожка с лигами представляет собой нерегулярную фа$_{овую от}_ рожающую решетку, на которой происходит дифракция света, rw ди­фракции светового сфокусированного пучка света возникают ^ _и g_0JIee дополнительных световых пучков (рис. 26, б). Они называются _{порядка}. ми дифракции (0, ± 1, ± 2 и.т.д.) Для фазовой решетки они зату^_{ают м} ленно, на скорость затухания сильное влияние оказывает глуби_{на релье}.

фа. Угол отклонения этих пучков Ч^д зависит от пространственного пе­риода решетки г\ и длины волны лазерного излучения х-

НР_Д ■ --■ arcsin (x /г\). (46)

Чем меньше период решетки, тем больше угол отклонения.

При больших периодах решетки световые пучки всех порядков почти полностью перекрываются. С уменьшением периода решетки зона перекрытия уменьшается и при некотором значении г| становится равной нулю (перекрытия нет). В зонах перекрытия возникает интерференция между 0 и более высокими порядками дифракции (рис. 26). Фазовый сдвиг между 0 и ± 1 порядками определяется формулами, где сдвиг к обусловлен глубиной питов

Аф+i =ж + 2п V_xtlr\, Дф_1 =я-2л K_t t/ц.

Как видно, переменные составляющие фазы в двух зонах перекрытия сдвинуты по фазе на угол л.

В схеме воспроизведения на отражение объектив пропускает толь­ко нулевой порядок дифракции, а все высшие порядки пространственно фильтруются. Это преобразует фазовую модуляцию света в амплитудную модуляцию тока фотоприемника Наиболее часто фотоприемник разме­щается в дальней зоне дифракции, и его размеры совпадают с пятном све­та нулевого порядка. При этом осуществляется интегрирование свето­вого потока по всей площади фотоприемника. Переменная составляющая тока фотоприемника обусловлена интерференцией световых пучков на его поверхности.

Оптическая передаточная функция (ОПФ) объектива с фото­приемником определяет зависи­мость глубины амплитудной моду­ляции от пространственной частоты. Она имеет вид, приведенный на рис. 28. Ее пространственная частота среза /с_Рп равна

/срп = 2 NA/_X.

Для системы «Компакт Диск» /_срп = 1125 пер/мм. Электрическая частота среза / срэ, где глубина модуляции равна нулю, зависит от линейной скорости записи vt

Рис. 28 Оптическая передаточная функция объектива

/срэ -/срп v_t. (48)

При v_t= 1, 25 м/с имеем /_срэ = 1, 4МГц.

Ток фотоприемника представляет собой последовательность поч­ти прямоугольных импульсов, совпадающих по фазе с записываемым сигналом. Время нарастания и спада импульсов определяется ОПФ мик-ро объектива, распределением интенсивности в световом пятне и посто­янной времени фотоприемника. Прямоугольная форма импульсов вос­станавливается с помощью усилителя- ограничителя или компаратора.

Обычно ни частотной, ни фазовой коррекции не требуется. Лишь иногда делается частотная коррекция ОПФ, при которой осуществляется подъем в области средних частот. При высокой плотности записи воз­можна межсимвольная интерференция, которая приводит к кодовым ошибкам. Шумы носителя проявляются в виде джиттера фронтов им­пульсов, который также приводит к кодовым ошибкам.

5.2. Запись и тиражирование оптических дисков

Изготовление оптических дисков с записью музыки включает в себя 6 этапов: запись цифровой мастер-ленты, изготовление диска ориги­нала, запись на диск оригинал первичной фонограммы, изготовление мастер -диска, изготовление никелевой матрицы и тиражирование дис­ков.

Цифровая мастер-лента содержит готовую музыкальную про­грамму с тайм-кодом. Необходимая информация пользователя (название и длительности всех составных частей альбома и др.) готовится на ком­пьютере и вводится с него в канал записи, Мастер-лента готовится на студии звукозаписи режиссером с помощью многоканальных цифровых магнитофонов.

Диск-оригинал изготавливается из оптического стекла, диаметр его 220 мм, толщина 10 мм. Он тщательно полируется и контролируется на дефектность, допустимое значение BER не более 10 Л На поверх­ность диска наносится слой фоторезиста толщиной 0, 11 мкм, чувстви­тельный к синему цвету.

Запись первичной фонограммы производится с помощью преци­зионного лазерного рекордера, функциональная схема которого приведе­на на рис. 29. Запись производится гелий-кадмиевым газовым лазером, у которого длина волны излучения 440 нм (синий цвет) и мощность около 15 мВт. Его излучение фокусируется микро объективом с числовой апер­турой 0, 9 (вдвое больше, чем в проигрывателе) в пятно диаметром немно­го меньше 1 мкм.

Такой объектив имеет глубину фокуса всего 0, 5 мкм, поэтому тре­буется эффективная автоматическая фокусировка (САР-Ф). Она осущест­вляется с помощью вспомогательного гелий-неонового газового лазера, полупрозрачного (п/п) зеркала и фотоприемника (ФП). Длина волны из­лучения этого лазера 632 нм (красный цвет) и мощность 5 мВт. Фоторе­зист нечувствителен к такому излучению. Зеркало разделяет падающий и отраженный световые пучки

При записи осуществляется амплитудная модуляция излучения гелий-кадмиевого лазера с помощью акусто-оптического модулятора (АОП). На вход модулятора подается звуковая информация в канальном коде. Излучения обоих лазеров оптически суммируются и фокусируются одним объективом.

При записи диск-оригинал вращается, а оптическая головка с объ­ективом перемещается по радиусу диска. Запись производится с постоян-

ной линейной скоростью v „ поэ_Тому частота вращения диска та зависит от радиуса записи R

^{и = 60} v _t / 2тс R з, об/мин. (49)

Скорость радиальной подачи оп_{ТИческо}й головки определяется заданным шагом между дорожками так, чтобы за один оборот диска головка сме­щалась на 1, 6 мкм. Стабилизации _{линейной} скорости записи и скорости радиальной подачи головки oc_{yUiecTBJMK)Tca с помощью} прецизионной механики и систем автоматического регулирования САР-Л и САР -РП.

Под действием модулиро_{Ванного} лазерного излучения засвечива­ется фоторезист. В нем происходят невидимые физико-химические изме­нения, как в обычной фотопленке. _{в СО0ТВ}етствии с временными интерва­лами канального кода в фоторе_ЗИсте ф_Ор_{мируются} невидимые питы. Да­лее следует этап проявления, пр_{и котором в} засвеченных местах фоторе­зист вымывается и образуются у_{Глу6ления}, соответствующие питам. За­тем диск покрывается тонкой щ, _{енкой сер}ебра, чтобы сделать его отра­жающим. Такой диск с запись^ ф_{онограммы} называется мастер-диск. Качество его тщательно контрод_{Ируется на спе}ц_иальных проигрывателях.

Мастер-диск используется д^ изготовления никелевой матрицы электролитическим способом. С помощью матрицы производится тира­жирование оптических дисков и₃ оптически прозрачного поликарбоната с коэффициентом преломления 1д Тиражирование может выполняться литьевым методом или методом _{прессования}. после тиражирования на информационную поверхность Каждого диска наносится отражающее по­крытие из алюминия и защитное покрытие (рис. 26, б), на которое клеит­ся этикетка.

Диаметр тиражированных _{Дисков П0} стандарту _{может быть 120 и} 80 мм, диаметр центрального о_{Тйерстия 15 мм}, толщина 1, 2 мм, масса около 14 г. Запись на них с одно^ ^^^ _{от центра к краю с} вращением против часовой стрелки. Допуска^т^. эксценгриситет диска не более 0, 4 мм, эксцентриситет записи не б_Олее 140 мкм и вертикальные биения не более ± 0, 5 мм.

5.3. Система «Компакг-Диск»

Эта система разработана с_{Овместно} Фомами philips _{и 8о}пув1982 году. К ней относятся диски СО__{АщИо (CD}._{DA); CD}._{R и C}D-RW. Основ­ные характеристики системы «Компакт-Диск» приведены в табл.12.

Длины интервалов и емкость диска указаны для средней скорости записи 1, 3 м/с. Для другой скорости записи питы, интервалы между ними и емкость диска будут несколько другими. Постоянство линейной скоро­сти воспроизведения vt обеспечивается путем изменения числа оборотов двигателя та, вращающего компакт-диск. Оно должно меняться в соответ­ствии с равенством (49) в зависимости от радиуса воспроизведения R_B В проигрывателе число оборотов компакт диска меняется от 600 до 200

об/мин.

В системе «Компакт-Диск» канальное кодирование осуществляется в групповом коде 8/14, основные характеристики которого приведены в

табл. 13.

Высокая избыточность кода позволяет обнаруживать ошибки еще на стадии канального декодирования и вводить сразу стирания. Эти сти­рания могут быть исправлены уже в 1 ступени помехоустойчивого деко­дирования.

Между канальными символами вставляются 3 дополнительных ка­нальных бита для того, чтобы на стыках этих символов значения Т_мт и Тмакс не превышали допустимых значений. Поэтому фактически код име­ет избыточность 112%. Канальное кодирование производится по одной таблице из 256 разрешенных символов. Число возможных неразрешен­ных кодовых комбинаций равно 16128 (2 ^и - 256).

Для обнаружения и исправления ошибок в системе «Компакт-Диск» используется 2-х каскадный код PC в поле Галуа (2 ⁸) _ПОд названи­ем CIRC (Cross Interlived Reed-Solomon Code - код Рида-Соломона с пе-ремежением). Символы длиной 8 бит формируются путем разделения 16-ти разрядных выборок (слов) на младшие и старшие разряды. Блок фор­мируется из 24 символов (12 левого и 12 правого каналов). Число элемен­тов поля 256, они задаются порождающим полиномом:

G(X) = Х^г + X* + Х^ъ + Х² + 1, и примитивным элементом

а=Х (00000010).

Внешний код - код PC (28, 24) с внутриблочным перемежением слов сигналов левого и правого каналов стереопары. Кодирование выпол-

няется с помощью проверочной матрицы Н1 размером 28x4. Внутрен­ний код код PC (32, 28) с коротким межблочным перемежением с интер­валом в 1 блок Кодирование осуществляется с помощью другой прове­рочной матрицы Н2 размером 32x4. Между ступенями кодирования осуществляется межблочное сверточное перемежение с интервалом 4 блока и глубиной 112 блоков. Общая избыточность кода 25%.

Перссгановка слов осуществляема Д" " увеличения чиии интер­полируемых слов при длинных выпадениях. Короткое межблочное пере­межение позволяет исправлять пакеты ошибочных символов дЛиной 4 уже в 1 ступени декодирования. Сверточное перемежение позволяет ис­правлять выпадения сигнала длиной до 8 блоков и маскировать ошибки при выпадениях длиной до 51 блока.

Кодер представляет собой специализированный процессор, кото-

|рый но заданной иршрамме производит вычисление в пиле Галуа ирове-рочных символов в двух ступенях. Перемежение осуществляется путем адресации символов через ОЗУ емкостью 16 Кбит. Для декодирования кода CIRC разработано множество стратегий, которые в той или иной степени реализуют потенциальные возможности кода. Обнаружение кодовых ошибок производится на уровне блоков, час­тота которых равна 7350 Гц. Осуществляется декодирование также с по­мощью специализированного процессора. В зависимости от стратегии декодирования по разному исправляются случайные ошибки и выпадения. В табл. 14 приведены характеристики выпадений. Вероятность не обна­ружения выпадений в коде CIRC равна 2 ~¹⁹

На рис. 30 приведены графики этих стратегий, характеризующие ис­правляющую способность декодера по случайным ошибкам. На этих гра­фиках по оси абсцисс отложена вероятность ошибочных символов на вхо­де декодера, а по оси ординат- вероятность ошибочных слов на выходе декодера. Область работы декодера лежит правее графиков стратегий А, В, С и D. Прямая D определяет обнаруживающую способность кода, В области левее этого графика декодер не работает. Для всех стратегий де-

кодирования декодер может исправлять

ошибки при вероятно­сти появления ошибоч­ных символов (SER) на входе декодера мень­ше, чем 1(Г³. Это соот­ветствует значению BLER = 0, 032.

Для перехода к частоте повторений ошибочных блоков необходимо эти цифры умножить на 7350. При этом максимально до­пустимая частота оши­бочных блоков равна 235 бл/с.

Для супер стратегии декодирования при вероятности появления ошибочных символов на входе декодера W_s= 10 ~³ вероятность появле­ния ошибочного слова (WER) на выходе не превышает 10 " ¹⁶ (появление 1 ошибки за 10000 лет). При этих же условиях для стратегии В ошибки на выходе декодера будут происходить через 40 мин, а для стратегии С -через минуту. Именно стратегиями декодирования и отличаются проиг­рыватели компакт дисков различной стоимости. Чем более эффективна стратегия декодирования, тем сложнее и процессор и выше его быстро­действие.

5.4. Проигрыватели и рекордеры системы «Компакт Диск»

Исправляющие способности декодера реализуются лишь при ус­ловии, что при воспроизведении ошибка фокусировки не превышает 1...2 мкм, погрешность радиального положения считывающего пятна на до­рожке не более 0, 1 мкм и временная ошибка линейной скорости воспро­изведения не более 20 не.

В проигрывателях и рекордерах трехмерное позиционирование сфокусированного пятна света обеспечивается с помощью 4 систем авто­матического регулирования (САР). К ним относятся: САР фокусировки, САР радиального слежения за дорожкой, САР стабилизации скорости радиальной подачи оптической головки и САР стабилизации линейной

скорости воспроизведения. Нарушение работы любой из этих САР при­водит к возникновению длинных пакетов ошибок и выпадений сигнала, исправить которые декодер не может. В настоящее время используются только цифровые САР и большинство фирм-изготовителей имеют для них собственные технические решения. Все проигрыватели и рекордеры включают в себя следующие оптико-механические узлы: оптическая го­ловка, актюатор оптической головки, узел радиальной подачи оптической головки и узел вращения компакт-диска. Оптическая головка включает в себя полупроводниковый лазер, объектив, фотоприемник, датчики_#оши-бок фокусировки и радиального слежения за дорожкой. Масса такой го­ловки от 0, 9 до 2, 5 г. Актюатор - это исполнительный механизм САР, перемещающий оптическую головку в вертикальном и радиальном на­правлениях.

Важной отличительной особенностью современных проигрывате­лей является использование при цифроаналоговом преобразовании пере­дискретизации и дельта-сигма модуляции (AS). Целью этого преобразова­ния является повышения отношения сигнал-шум свыше 98 дБ, обеспечи­ваемого 16-ти разрядным кодированием.

При передискретизации с помощью цифрового фильтра (ЦФП) (рис. 31) частота дискретизации повышается в i раз, но общая мощность шума квантования Р_шк остается неизменной, соответствующей 16-ти разрядным кодовым словам.

Рис. 31 Функциональная схема ЦАПа с передискретизацией и Д2 модуляцией

При этом ширина спектра шума квантования увеличивается также в i раз, а его спектральная плотность мощности S(P_mK) уменьшается во столько же раз (график 2 на рис. 32). Поэтому в соответствии с формулой

S/N = 6 q + 1, 8 + 10 log (i/д / 2 f _ФНЧ), дБ (50)

отношение сигнал-шум (S/N) увеличивается на 3 дБ при каждом удвое­нии частоты дискретизации (/^нч - частота среза ФНЧ на выходе ЦАП). При дельта-сигма модуляции уменьшается число используемых разрядов, вплоть до одного, и с помощью реквантизатора производится округление ошибок квантования так, чтобы происходило изменение оги­бающей спектральной плотности мощности с подъемом в области высо­ких и спадом в области низких частот (график 3 на рис. 32). Такое изме-

нение огибающей спектра мощности шума осуществляется с помощью интеграторов модулятора, которые часто называют формирователями огибающей спектра шума («Noise Shaping»). Они бывают 1, 2, 3 и более высоких порядков и. Благодаря этим формирователям при каждом уд­воении частоты дискретизации отношение S/N повышается соответст­венно на 6и дБ (6, 12, 18 дБ и т.д.).

Отношение S/N с использованием АЕ модуляции определяется ра­венством

S/N=6q* + l, S+ lOlog (/* _д /2 F ф_нч) - 10 log [ 2 (1- sinv / v)] °, дБ, (51) где q* - число разрядов после округления, и - порядок интегратора, v = 2я///*д /*_д = г/д, F ф_нч - частота среза фильтра низких частот, равная 20... 100 кГц, /- текущее значение частоты.

При ДХ-модуляции производится канальная модуляция, при кото­рой последовательность двоичных данных преобразуется в последова­тельность импульсов с цифровой модуляцией: PDM - Pulse Density Modu­lation (модуляция импульсов по плотности), PWM - Pulse Width Modula­tion (модуляция импульсов по ширине) или PLM - Pulse Length Modula­tion (модуляция импульсов по длине). В табл.15 приведены некоторые данные по современным ЦАП фирм Philips, Technics и Sony с использо­ванием дельта-сигма модуляции.

Эти ЦАП обеспечивают отношение сигнал-шум до 115... 120 дБ, поэтому изготовители проигрывателей указывают в технических характеристиках эквивалентное число разрядов 18...20, иногда приводится и значение коэффициента передискретизации.

Проигрыватели компакт-дисков разделяются на бытовые и профес­сиональные. Последние отличаются высоким качеством исполнения ме­ханических узлов для обеспечения длительной эксплуатации. У них рас­ширенные функциональные возможности, часто имеется магазин емко­стью от 5 до 100 дисков. Обязательно наличие цифровых выходов: коак­сиального и волоконно-оптического. Многие проигрыватели рассчи­таны на воспроизведение всех дисков системы «Компакт-Диск»: CD-Audio, CD-R и CD-RW. Лучшие модели профессиональных проигрыва­телей выпускают фирмы Denon (модель DCD - 1650 AR) и Marantz. Мо­дель этой фирмы PMD320 предназначена для работы на студиях радио­вещания. У нее полоса 5...20000 Гц, отношение сигнал-шум составляет 104 дБ, динамический диапазон равен 96 дБ.

Рекордер компакт-дисков предназначен для записи звука на специ­ально изготовленных путем тиражирования оптических дисках. При изго­товлении матрицы записывается «немая» спиральная дорожка глубиной 0, 11 мкм, шириной 0, 5 мкм и шагом 1, 6 мкм. Вся поверхность диска при тиражировании покрывается отражающим покрытием из золота или се­ребра для обеспечения длительного хранения фонограммы.

У дисков CD -R спиральная дорожка полностью заполняется ор­ганическим фталоцианиновым красителем, которые чувствительны к инфракрасному излучению лазера. При записи используются лазеры мощностью от 4 до 18 мВт, которые под действием нагрева разрушают краситель и таким образом образуются питы. Мощность лазера зависит от скорости записи, которая может быть в 2, 4, 6, 8 раз выше стандарт­ной.

Лучшие диски CD-R в настоящее время выпускает английская фирма ННВ. Ее диски CDR74 GOLD и CDR74 SILVER имеют емкость 680 Мбайт, обеспечивают время записи звука 74 мин и длительность хра­нения - более 100 лет. Диск CDR80 SILVER второго поколения имеет меньший шаг дорожки, поэтому его емкость 800 Мбайт. Он обеспечивает время записи звука 79 мин и длительность хранения более 200 лет.

При изготовлении дисков CD-RW спиральная канавка заполняется неорганическим веществом, способным под действием лазерного излуче­ния переходить из аморфного состояния в кристаллическое и обратно. Такие диски также выпускает фирма ННВ. Ее новая модель CDRW80 имеет емкость 700 Мбайт, обеспечивающее время записи 80 мин, запись можно производить с 8-кратной скоростью. Материал носителя позволя­ет производить более 1000 циклов запись-стирание.

Большинство выпускаемых в настоящее время рекордеров позво­ляют производить запись и воспроизведение дисков CD-R и CD-RW. Лучшие профессиональные рекордеры выпускают фирмы ННВ и Marantz. К ним относятся модели CDR850 и DR-17. Все рекордеры рабо­тают только совместно с компьютером или звуковой станцией и необхо­димым программным обеспечением.