Структура записываемой информации

На выходе АЦП сигнал представляет собой 16-разрядный двоич­ный код произведенной выборки звукового сигнала в цифровой фор­ме. Отметим, что 16-разрядный код находится в двоичной форме дополнения, чтобы отображать и положительные и отрицательные размахи звукового сигнала. Обычно каждый 16-разрядный отрезок называется словом, которое обычно раскладывают на два символа, каждый из которых содержит 8 разрядов (бит).

4.2.1. Формирование кадра записи.Преобразование входного стереосигнала в 16-разрядный двоич­ный код выполняется отдельно для правого и левого кана­лов (рис.4.1) одинаковыми схемами кодирования (ФНЧ, УВХ, АЦП), син­хронизированных генератором таймера. Для того чтобы в проигрывателе КД можно было распознавать цифровые данные за­кодированного сигнала, необходимо эти данные организовать в оп­ределенные образы. Во всех КД образ имеет блочную кадровую структуру. Кадр - информационный блок, включающий по шесть выборок звукового сигнала каждого канала. Цифровые дан­ные с двух каналов подаются на первый мультиплексор, который со­единяет два потока данных в один последовательный поток данных. На выходе первого мультиплексора поток данных смешан таким об­разом, что за словом правого канала следует слово левого канала, и кадр со­стоит из 12 слов (по 6 слов на канал). Выше было упомянуто, что выборки звукового сигнала осуществляются с частотой 44,1 кГц. В результате первого мультиплексирования период каждой выборки становится вдвое меньшим, а частота следования выборок состав­ляет уже 88,2 кГц, в результате чего частота следования кадров, со­стоящих из 12 слов каждый, составляет 88,2/12=7,35 кГц. Этот по­следовательный поток данных с выхода мультиплексора поступает на схему исправления ошибок и чередования – CIRC-кодер – от англ. Cyclic Interleaving Redundancy Check.

4.2.2. CIRC-кодер.Схема CIRC-кодера выполняет две функции. Одна функция схе­мы - разложить каждое 16-разрядное слово на два 8-разрядных символа. В течение процесса разложения эти символы подвергаются че­редованию (interleaving) в определенном порядке. В результате чередования непрерывный музыкальный сигнал оказыва­ется «разбросанным» по разным местам информационной дорожки КД. Такое «разбрасывание» сигнала по площади КД делается для повышения помехоустойчивости и достоверности воспроизведения. Если информационные символы в каком-то месте КД будут повреж­дены или «прочитаны» звукоснимателем ошибочно, это не приве­дет к дефекту, заметному для слушателя, поскольку ошибочные символы, находящиеся на информационной дорожке, относятся к различным (по времени) местам записанной музыкальной програм­мы.

Другая функция схемы CIRC-кодера - обеспечить метод, кото­рым проигрыватель КД может проверять ошибки в потоке данных. Ошибки в потоке данных могут возникать как из-за некачественных компакт-дисков, так и из-за сбоев в процессе считывания инфор­мации в устройствах и схемах проигрывателя. Из-за этих сбоев счи­тывания возникают прерывания полезного сигнала, так называе­мые «выпадения». В аналоговой технике такой эффект выпадения приводит лишь к кратковременному пропуску сигнала и не оказы­вает влияния на дальнейшую работу. В случае ИКМ, однако, «вы­падения» при воспроизведении прослушиваются в виде раздражаю­щих пульсирующих шорохов, которые называют ошибками кодирования.

В КД проигрывателях для распознавания ошибок используется перекрестный кон­троль избыточности (Cyclic Redundancy Check, CRC).

В то время как при классическом методе паритета используется только один бит, в случае использования CRC-метода передаются несколько проверочных битов. Если количество таких бит составляет число 16, то до­стоверность распознавания ошибок составляет 99,9985%. Это гово­рит о том, что CRC-метод вполне применим для распознавания ошибок при воспроизведении звуковой информации.

Код коррекции ошибок не только распознает ошибки, но и кор­ректирует их. На рис. 4.5 и 4.6 в упрощенной форме приводит­ся метод перекрестного распознавания и коррекции.

Сгенерированные в схеме CIRC-кодера проверочные биты орга­низованы как 8-разрядные символы данных и названы символами чет­ности. CIRC-кодер имеет два выходных канала информации. Один канал содержит символы данных, второй канал содержит символы четности. Мультиплексор добавляет символы четности к правиль­ному расположению в потоке данных так, чтобы декодер в проиг­рывателе КД мог проверять и исправлять ошибки в символах данных.

В результате использования проверочных бит, которые способ­ны обнаруживать до четырех и исправлять до двух поврежденных символов в каждом кадре, легко справляется с дефектами, которые превышают длину одного символа. В случае же, когда дефекты составляют длину в несколько кадров, применяемый способ перераспределения символов как внутри каждого кадра, так и между разными кадрами (чередование), приводит к тому, что значительные повреждение может испортить лишь один – два символа в кадре из-за разбросанности последовательной звуковой информации по полю КД.

В процессе воспроизведения после деперемежения значительный дефект будет соответствовать некоторому числу маленьких дефектов, с которыми достаточно эффективно может справиться система декодирования проигрывателя.

4.2.3. Сервисная информация в кадре записи.Информация, записанная на КД, характеризуется также тем, что, наряду с собственно данными, в каждом блоке данных имеется также управляющая информация и информация для дисплея. Символ данных субкода (называемый обычно субкодом) обеспечивает идентификацию (опознавание) всего кадра данных, а также синхронизацию в проигрывателе КД. С его помощью происходит слежение за перемещением звукоснимателя поперек КД при поиске нужного фрагмента и реализация других потребительских возможностей проигрывателя.

Выход второго мультиплексора, помимо 24 символов данных ау-досигнала (по 8 бит каждый), содержит также и 8 символов четности (также по 8 бит каждый) и 8-битовый субкод, который располагается в начале каждого кадра. Информация с выхода мультиплексора поступает на модулятор записывающего лазера, задачей которого является преобразование полученных цифровых данных в форму, которая обеспечила бы максимальную плотность за-писи на КД, а также достоверное считывание информации при воспроизведении.

4.2.4. Канальное кодирование.При записи луч лазера фокусируется на поверхности в пятно определенных размеров. Получаемый при этом пит имеет также определенный размер, зависящий от характеристик записывающего лазeрa. В принципе минимальный по размеру пит будет отображать только одну единицу информации (один бит). Однако существуют способы, при которых такой минимальный пит будет отображать не один бит, а больше. Такие способы преобразования называют­ся канальным кодированием.

При канальном кодировании необходи­мо учитывать еще некоторые соображения.

Во-первых, при расшифровке данных надо точно определять гра­ницы как одного бита, так и символа, и кадра, что легко осуще­ствляется определением перехода с 0 на 1 и обратно (изменение уровней). При длинных последовательностях в коде 0 или 1 может легко произойти сбой при декодировании, так как, например, де­кодер последовательность в виде 15 нулей может распознать и как 14 нулей, и как 16 нулей. В связи с этим канальный код не должен иметь длинных последовательностей одного уровня.

Во-вторых, считывающее устройство КД-проигрывателей не про­пускает постоянный ток, и длинные последовательности нулей и единиц в потоке информации воспринимаются им как постоянная составляющая, которую при канальном кодировании необходимо устранить. Кроме того, надо обеспечить, чтобы количество нулей и единиц в потоке данных было примерно одинаковым, чтобы ис­ключить вероятность снижения уровня считываемого сигнала.

Поток данных не заносится на компакт-диск в 8-разрядном фор­мате. Вместо этого 8-разрядный код преобразуется в 14-разрядный канальный код, названный Eight-to-Fourteen Modulation, или EFM, удовлетворяющий выше перечисленным требованиям для записи на КД. Такое преобразование приносит определенные выгоды. Происходит увеличение плотности записи, а весь спектр переносится выше, благодаря чему улучшается разделение от низкочастотных сигналов помех. «Растягивание» символов от 8 до 14 бит предотвращает в то же самое время считывание лазерным лучом в проигрывателеКД од­новременно двух смежных переходов (с пита на флэт и наоборот) (рис. 4.7).

Кроме того, между 14-разрядными символами вставляются три соединительных разряда. Смысл таких трансформаций 8-разрядного символа в том, что в дальнейшем комбинации 0 и 1 преобразу­ется в вид, когда 1 соответствует изменению уровня, а 0 — сохра­нению прежнего уровня и обеспечивается ограничение длины последовательности одного уровня как сверху," так и снизу. Макси­мальная длина последовательности будет составлять 11 канальных бит (одна 1 и десять 0) - 11 Т, а минимальная - трем (одна 1 и два 0) - 3 Т. Соединительные разряды необходимы для того, чтобы при соединении двух последовательных канальных символов обеспечи­валось условие EFM-кода о невозможности более 10 последователь­ных нулей, так как всегда есть возможность в один из соединитель­ных разрядов вставить 1.

Обратим внимание, что условием ограничения промежутка меж­ду двумя соседними перепадами уровня снизу является величина 3 Т. Это тот фактор, который позволяет заметно увеличить плотность записи информации. Теперь пит минимального размера отображает три двоичных разряда, хотя канальных разрядов стало 17 вместо 8. Однако легко вычислить, что 3/17 больше, чем 1/8 почти в полто­ра раза, т. е. плотность записи с применением канального кода существенно повысилась.

4.2.5. Данные субкода.Как уже было сказано, к каждому блоку данных с аудиоинфор­мацией добавляется 8-битовый символ данных субкода, который содержит служебную информацию и располагается в начале каждо­го кадра. Субкод оформляется в блоки, подобные кадрам, которые состоят из 98 символов. Частота следования блоков составляет 7,35 кГц/98=75 Гц. Субкод в связи с этим содержит 8 различных ка­налов: Р, Q, R, S, Т, U, V, W. В настоящее время используют­ся только каналы Р и Q. Заметим, что поток данных, который можно передавать субкодом, составляет 58800 бит/с, т. е. одновременно с музыкальным сигналом можно передать огромное количество информации (около 25 Мб). По сравнению с этим числом величина необходимого количества данных для управления и синхронизации проигрывателя КД очень мала.

Субкод обрабатывается в проигрывателе КД в процессе декоди­рования. Тот синхронизирующий образ, который генерируется суб­кодом, используется для обработки символов данных и называется синхронизацией символа.

В Р-канале субкода содержится бит-флаг (известный также как бит паузы). Этот бит обеспечивает старт (начало) музыкальной про­граммы, а именно: при наличии в этом бите логического 0 проис­ходит считывание аудиоинформации с КД. Наличие логической 1 в этом бите свидетельствует о начале или конце музыкального фраг­мента, который определен командой с лицевой панели управления.

Когда лазерный луч выходит на последнюю дорожку, то значение Р-канала начинает изменяться с частотой 2 Гц между 0 и 1, что является кодом окончания всей музыкальной про­граммы, записанной на данном КД.

В самом начале кодирования КД субкод содержит информацию, указывающую число музыкальных фрагментов, записанных на КД. Эта информация кодируется в такой же структуре кадра, как и все другие данные, за исключением того, что символы данных в таком кадре не содержат никакой звуковой информации, что осуществля­ется записью в символы данных одних нулей.

В Q-канале субкода может кодироваться разнообразная инфор­мация, а именно:

- номер музыкального фрагмента;

- индекс (маркировка фрагмента, например, соло, инструменты и т.д.);

- продолжительность проигрывания;

- индекс диска;

- наличие предыскажений;

- блокировка.

В начало каждого кадра данных при кодировании добавляется синхронизирующее слово, которое используется для обеспечения синхронизации тактового генератора в проигрывателе КД и управления числом оборотов двигателя вращения КД. Этот синхронизи­рующий образ назван синхронизацией кадра и предназначен для того, чтобы определить границы кадра. Состоит такая кадровая синхрогруппа из 24-канальных разрядов. Конфигурация этой синхрогруппы представляет собой два следующих друг за другом макси­мальных интервала 11 Т и не встречается в информационном потоке, что дает возможность легко распознать синхрогруппу при воспроизведении. Как и после других канальных символов, после синхрогруппы идут три соединительных разряда.

Сформированный в модуляторе поток данных для записи содержит в результате 33х17+27=588 канальных бит в каждом кадре и подается на оптический модулятор, который управляет мощностью записывающего лазера.

На рис.5.1 представлена упрощенная блок-схема процесса де-кодирования информации, записанной на КД.

Как уже было сказано, благодаря фотодетектору вырабатывается сигнал, записанный на КД. Фотодетектор выполняет три основные функции:

- генерацию сигналов для автофокусировки;

- генерацию сигналов отслеживания, обеспечивающих точное со­прово-ждение лазерного луча по дорожке записи диска;

- генерацию цифровых аудиосигналов, преобразуемых в аналого­вые сигналы.

5.1. Демодуляция EFM сигналов

ВЧ-сигнал, восстановленный с КД оптическим звукоснимателем и содержащий наряду с аудиоинформацией также информацию суб­кода в качестве дополнительных данных, усиливается и нормализу­ется в схеме высокочастотного усилителя. На выходе усилителя име­ется ВЧ-сигнал, содержащий формат EFM (сигнал системы модуляции) (рис.5.2).

Хотя EFM-сигналы представляет собой гармониче­ские сигналы, тем не менее они имеют цифровую форму. Обозначения 3 Т, 4 Т и т. д. отображают количество периодов (3, 4 и т. д.), необходимых для считывания пита на диске. Диапазон от 3 до 11T устанавливается исходя из технических параметров КД.

Прежде чем EFM-сигнал поступит для дальнейшего декодирова­ния, он проходит схемы формирования (трансверсальный фильтр), которые обеспечивают равенство по амплитуде сигналов 3 Т (ВЧ-сиг­нал) и 11 Т (НЧ-сигнал). С помощью имеющегося компаратора EFM-сигнал преобразуется в сигналы прямоугольной формы EFMI.

Нормализованный EFM-сигнал поступает на дальнейшее деко­дирование. Декодер в проигрывателе КД представляет собой соче­тание различных схемных устройств, выполняющих целый ряд функ­ций:

- восстановление тактового сигнала данных;

- восстановление синхронизирующего образа из потока данных для синхронизации всей системы;

- демодуляция EFM-сигнала;

- разделение цифровых сигналов на аудиоинформацию и информа­цию субкода;

- восстановление первоначальной последовательности (деперемежение);

- коррекция ошибок;

- интерполяция цифровых сигналов;

- демультиплексирование цифровых сигналов;

- восстановление цифрового аудиосигнала в первоначальный ана­логовый аудиосигнал.

Выполнение этих основных задач декодирования, кроме собствен­но цифро-аналогового преобразования, часто происходит в одной ми­кросхеме обработки сигнала - процессоре цифровых сигналов.

Для того чтобы выделить тактовый бит из EFM-сигнала, кото­рый подается со скоростью 4,3218 Мбит/с, применяется узкополос­ная схема фазовой синхронизации (PLL-схема). PLL-схема состоит из двух цифровых частотных детекторов (грубая и точная регулиров­ка частоты), фазового детектора, петлевого фильтра и VCO (генератор, управляемый напряжением). Задача обоих частотных детекторов состоит в том, чтобы управлять PLL-частотой в области захвата фазового детектора. VCO функционирует как полностью интегрированный RC-генератор, работающий на двойной входной частоте. В последствии происходит деление этой частоты. Возни­кающая частота применяется для тактирования демодулятора и вход­ных и выходных сдвиговых регистров. Частотный детектор грубой установки сравнивает частоту VCO с половинной частотой внеш­них тактов схем цифровой обработки. Этот детектор вырабатывает также управляющий сигнал для грубой установки VCO, чтобы в дальнейшем, по ее завершении, достичь области захвата цепи точной установки. Диапазон области захвата - от 2,8224 до 5,6448 МГц. Детектор точной установки частоты производит подстройку VCO до тех пор, пока частота не войдет в пределы PLL-захвата. Эта ступень точной установки отключается после фиксации PLL и далее VCO уп­равляется только фазовым детектором.

Выделенные последовательные данные преобразуются в параллель­ные данные в 23-битовом сдвиговом регистре, тактируемом часто­той 4,3218 МГц. В этом регистре детектируется начало каждого кадра, а именно образцовый бит синхронизации. Для этого каждые последующие 24 канальных бита сравниваются с образцом кадро­вой синхрогруппы, хранящимся в памяти демодулятора. Кроме того посредством этого сдвигового регистра происходит подготовка 14 битовых символов данных для EFM-демодулятора.

Случайные сигналы синхронизации могут создавать помехи ра­боте EFM-демодулятора и, следовательно, приводить к ошибкам в процессе декодирования. Такая ложная информация может возник­нуть вследствие выпадений или наличия отпечатков пальцев на по­верхности КД. При так называемом способе детектирования двой­ного синхронизирующего образа счетчик битов с числом пересчета, равным 588, сбрасывается только в том случае, когда два образцо­вых бита продетектируются через корректный интервал в 588 бит. Когда выработанный в процессе демодуляции такт данных строго сфазируется с поступающим тактом данных, каждому 14-битному слову в соответствии с таблицей EFM-кодирования присваивается одно из 256 8-битовых слов. Таким же образом детектируются дан­ные субкода, который далее обрабатывается процессором субкода.

Аудиоинформация, трансформированная в EFM-демодуляторе в 8-ми битовые символы данных, подается для дальнейшей обработки на схемы восстановления первоначальной последовательности, кор­рекции ошибок и интерполяции.