Лабораторная работа № 8. Звукозапись. Цифровой способ записи-воспроизведения звука (на примере системы компакт-диск)
1. Цель работы
Познакомиться с цифровым способом записи-воспроизведения звука. Изучить принцип действия, устройство и условия применения компакт-диска, а также аппаратуры для его воспроизведения. Получить навыки практического применения.
2. Теоретическая справка
Цифровая запись звука– способ записи, при котором непрерывный аналоговый звуковой сигнал преобразуется и записывается на носитель информации в цифровой форме. Преобразование звукового сигнала в цифровую форму заключается в измерении мгновенных значений его амплитуды через равные промежутки времени и представлении полученных значений, называемыхотсчетами, в виде последовательности чисел в двоичной системе исчисления, т.е. в виде комбинации двух цифр – 0 и 1. Эта процедура называетсяаналого-цифровым преобразованием, а устройство для ее реализации –аналого-цифровым преобразователем(АЦП).
Процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в последовательность его мгновенных значений называется дискретизацией(рис. 1).
Определение численного значения величины отсчета называется квантованием. Для этого весь диапазон возможных изменений амплитуды преобразуемого сигнала делится на множество уровней квантования, количество которых определяется разрядностью используемого при этом двоичного кода. Чем больше число разрядов квантования, тем меньше шаг квантования и выше точность преобразования.
В процессе квантования за величину отсчета принимается номер ближайшего уровня квантования (рис. 1).
Рис. 1. Аналого-цифровое преобразование
В большинстве существующих цифровых звуковых форматов используется 16-разрядное квантование. Это позволяет получить точность преобразования 1/216= 1/65536.
С числом разрядов квантования – N,физически связандинамический диапазонзвукового сигнала – D:
Следовательно, для цифровых систем звукозаписи с 16 разрядным квантованием динамический диапазон составит:
Скорость следования отсчетов в секунду называется частотой дискретизации, а расстояние между двумя соседними отсчетами –периодом дискретизации.
Выбор частоты дискретизации в общем случае определяется теоремой Котельникова (теоремой отсчетов):
«Если наивысшая частота в спектре функции S(t) меньше, чем fm, то функция S(t) полностью определяется последовательностью своих значений в моменты, отстоящие друг от друга не более чем на 1/2fm секунд».
Под функцией S(t), понимаем непрерывный аналоговый звуковой сигнал, а под частотойfm– наивысшую частоту требуемого звукового диапазона.
На практике частота дискретизации выбирается из соотношения:
FД = (2,1–2,4)fm.
Верхняя граница диапазона звуковых частот ограничивается 20 кГц, а соответствующая частота дискретизации выбирается равной 44,1 кГц.
Воспроизведение цифровой фонограммы – процесс обратный записи. Процесс преобразования последовательности отсчетов в аналоговый звуковой сигнал называется цифро-аналоговым преобразованием, а устройство –цифро-аналоговым преобразователем(ЦАП).
Для широкого внедрения цифрового способа записи-воспроизведения звука необходимо было разработать носитель цифровой информации.
В процессе исследований были предложены различные конструкции аппаратуры для цифровой записи звука. Наиболее совершенной оказалась система с оптическим диском, разработанная совместно фирмами SONY и PHILIPS. Небольшие размеры диска и использование полупроводникового лазера позволили создавать малогабаритную высококачественную аппаратуру с невысокой стоимостью. К маю 1982 года был подготовлен проект международного стандарта на систему оптической звукозаписи «Компакт-диск». К сентябрю того же года контракты на производство проигрывателей компакт-дисков и самих компакт-дисков подписали уже 44 фирмы производители. В октябре 1982 года стандарт на систему «Компакт-диск» был принят на конференции Международной Электротехнической Комиссии. В это же время были завершены работы по созданию необходимых полупроводниковых лазеров и специализированных больших интегральных схем цифровой обработки сигнала.
Компакт диск обеспечивает очень высокие характеристики звуковоспроизведения:
диапазон частот: 16–20000 Гц;
динамический диапазон > 90 дБ;
переходное затухание между каналами > 90 дБ;
коэффициент нелинейных искажения < 0,03%;
шум определяется шумом аналоговой части канала воспроизведения;
коэффициент детонации – ниже порога чувствительности измерительной аппаратуры;
долговечность КД при соблюдении правил хранения и эксплуатации практически не ограничена;
оперативность – произвольный доступ в течение 2–3 с.
Общий вид и размеры компакт-диска показаны на рис. 2. Зона записи звука заключена в кольце с внутренним диаметром 50 мм и наружным – 116 мм. Вне ее находится зона, содержащая вспомогательную информацию, которая позволяет автоматизировать процесс воспроизведения. Информация записана на дорожке, расположенной на компакт-диске в виде спирали. Шаг витков спирали 1,6 мкм. Всего дорожка образует на компакт-диске около 20000 витков общей протяженностью около 5 км и начинается у внутренней границы зоны записи. От начала до конца воспроизведения компакт диска скорость его вращения снижается от 500 до 200 мин-1это необходимо для обеспечения постоянной линейной скорости движения дорожки относительно лазерной головки (1,25 м/с что обеспечивает скорость цифрового потока – 4,3218 Мбит/с) и максимально использовать информационную емкость диска. Длительность звучания компакт диска около 74 мин. Дорожка записи представляет собой цепочку продолговатых углублений, называемых питами (от англ. pits– углубления, ямки), и интервалов между ними образующие дорожку записи. Все питы имеют глубину 0,1 мкм, ширину 0,5–0,8 мкм, длина питов изменяется в соответствии с записанным сигналом от 0,87 мкм до 3,18 мкм. Расстояние между питами 0,5 мкм, шаг записи – 1,5 мкм. Информационная емкость компакт-диска составляет около 5 миллиардов бит. Параметры кодирования информации компакт-диска соответствуют международному стандарту цифровой звукозаписи: частота дискретизации – 44,1 кГц, число разрядов квантования – 16.
На диске имеется три области записи: вводная, выводная и программной записи. В области вводной дорожки записываются управляющие сигналы, сигналы коррекции ошибок и другая служебная информация. При считывании «оглавления» диска выдается номер и время начала записанного музыкального произведения и обеспечивается непосредственный доступ к выбранному музыкальному произведению. В программной области помимо самой фонограммы, в промежутках, записываются справочные данные, номера музыкальных произведений, время звучания (в минутах и секундах). В области выводной дорожки записываются управляющие сигналы на окончание цикла воспроизведения.
Рис. 2. Компакт-диск: 1 – пластмассовая прозрачная подложка; 2 – алюминиевая отражающая пленка; 3 – лаковый непрозрачный защитный слой с этикеткой; 4 – питы
Запись фонограммы производится изготовителем компакт-диска на специализированном предприятии, потребитель получает диск с уже имеющейся на нем нестираемой записью и может только воспроизводить ее.
Для изготовления оригинала компакт диска в качестве носителя записи первого оригинала, используют прецизионный, отполированный стеклянный диск толщиной 1,0–1,5 мм с нанесенным на него слоем фоторезиста (светочувствительного материала) толщиной 0,1 мкм. На поверхность слоя фоторезиста фокусируется луч лазера, образуя на ней фокальное пятно диаметром 0,5–0,8 мкм. В процессе записи диск вращается, а модулируемое в соответствии с записываемым сигналом, который можно представить как последовательность импульсов двоичного кода, включающих и выключающих излучение лазера. Фокальное пятно медленно перемещается по радиусу диска от начала записи к внешнему краю. В результате записи вдоль спирали дорожки на диске возникает последовательность микроскопических незасвеченных и засвеченных участков, превращаемая после проявления слоя фоторезиста в последовательность питов и интервалов между ними. Интервалы и питы различной протяженности представляют собой в цифровой закодированной форме запись звукового сигнала. Поверхность диска металлизируют и получают первый оригинал записи. Затем гальванопластически с него получают второй металлический оригинал, по которому изготавливают матрицу, с помощью которой прессуют пластмассовые заготовки – диск из поликарбоната с отпечатком микрорельефа записи на одной стороне. На завершающем этапе производства компакт-дисков эту сторону металлизируют для придания ей отражающей способности и покрывают сверху непрозрачным защитным слоем из прочной пластмассы.
Схема воспроизведения компакт-диска показана на рис. 3. Компакт-диск установлен прозрачным слоем вниз. Лазерная головка расположена под компакт-диском. Луч лазера через прозрачный слой сфокусирован на дорожку записи. В процессе воспроизведения компакт-диска вращается против часовой стрелки (если смотреть со стороны прозрачного слоя), а фокальное пятно лазера медленно перемещается по радиусу компакт-диска от центра к периферии.
Лазерная головка – один из основных элементов аппаратуры лазерной записи-воспроизведения звука. Непосредственно осуществляет запись-воспроизведение информации остросфокусированным лучом лазера. Конструктивные особенности лазерной головки зависят от ее назначения (для записи или воспроизведения) и выбранного способа управления положением фокального пятна лазера. Во всех случаях лазерная головка содержит полупроводниковый лазер мощностью 1–10 мВт с длиной волны около 780 нм (инфракрасный диапазон), оптическую систему для фокусировки и управления положением фокального пятна лазера, светоприемники.
Светоприемники в лазерной головке записи служат для управления положением фокального пятна, а в лазерной головке воспроизведения наряду с этим выполняют основную функцию – воспринимают отраженное от носителя излучение лазера и преобразуют его в электрический сигнал.
На рис. 3а показан вариант оптической схемы лазерной головки. Излучение полупроводникового лазера проходит через поляризационный расщепитель, линзу коллиматора, четвертьволновую пластинку и фокусируется объективом на отражающем слое компакт-диска.
Отраженное излучение, промодулированное питами на компакт-диске, через расщепитель и призму поступает на светоприемники.
Линза коллиматора служит для заполнения входного зрачка фокусирующего объектива, что необходимо для полного использования его апертуры и, следовательно, получения минимального фокального пятна.
Поляризационный расщепитель пропускает линейно поляризованное излучение лазера к диску и блокирует идущее к лазеру излучение, отраженное от диска, поляризация которого перпендикулярна исходной. Перпендикулярность поляризаций прямого и отраженного излучения достигается с помощью четвертьволновой пластины. В результате почти все отраженное диском излучение от расщепителя попадает на светоприемники. Когда луч попадает в пит, излучение почти полностью рассеивается и не улавливается светоприемником, на выходе которого формируется сигнал логического 0 (рис. 3б, слева). В отсутствии питов, луч лазера почти полностью отражается и улавливается светоприемником, на выходе которого формируется сигнал логической 1 (рис. 3б, справа).
Рис. 3. Схема воспроизведения компакт-диска: а) оптическая схема лазерной головки: (луч фокусируется линзой и прозрачным покрытием): 1 – защитный слой компакт-диска; 2 – дорожка записи компакт диска; 3 – прозрачный слой компакт-диска; 4 – микро объектив; 5 – четвертьволновая пластина; 6 – коллимирующая линза; 7 – поляризационный расщепитель;8 – призма; 9 – полупроводниковый лазер; 10 – лазерная головка; 11 – светоприемники; 8 – пылинка; 9 – царапина на поверхности диска; б) считывание информации с компакт-диска –луч лазера падает в пит – свет рассеивается и не попадает на светоприемники (слева); в отсутствии питов на поверхности диска, отраженный свет возвращается в объектив и попадает на светоприемники; в) влияние небольших механических помех на считывание информации
Таким образом, питы модулируют отраженное излучение: на выходе светоприемника возникает импульсный электрический сигнал, который с помощью ЦАП преобразуется в аналоговый звуковой сигнал.
Воспроизведение компакт-диска бесконтактно, поэтому он не изнашивается, а мелкие дефекты и пылинки на его поверхности не влияют на качество звуковоспроизведения. Это обеспечивается тем, что на информационном слое диска диаметр сфокусированного луча составляет около 1 мкм, а на наружной поверхности диска – около 1 мм, таким образом мелкие дефекты на поверхности диска не оказывают влияния на фокусировку луча – это достаточно эффективная система коррекции ошибок (рис. 3в).
Из-за технологических проблем при изготовлении, например попадание пыли на информационную дорожку при прессовании, в цифровой записи компакт-диска могут появиться ошибки. Чтобы они не влияли на качество записи, предусмотрено помехоустойчивое кодирование информации.
Наиболее сложной сферой всей системы компакт-диска – является метод модуляции, обнаружения и коррекции ошибок, способ комплектования пакетов сигналов для записи и воспроизведения. Эти задачи решаются путем использования различных математических кодов. Один из них способен корректировать ошибки в виде разрывов, когда часть сигнала потеряна. При этом малые ошибки исправляются, а крупные корректируются путем синтезирования наиболее вероятной формы колебания, которую можно ожидать в районе ошибки (потерь информации). Другие коды позволяет минимизировать вероятность ошибок при записи и воспроизведении информации.
Луч лазера, проходя через фокусирующую линзу, падает на отражающий слой, отраженный луч попадает в фотоприемник, где происходит определение питов и промежутков, а также проверка качества фокусировки пятна на дорожке и его ориентации по центру дорожки.
При нарушении фокусировки объектива лазерной головки происходит перемещение линзы, работающей по принципу диффузора громкоговорителя (voice coil – звуковая катушка), при отклонении от центра дорожки перемещение всей головки по радиусу диска. В сущности, системы управления линзой, лазерной головкой и двигателем привода являются системами автоматического регулирования (САР) и находятся в режиме постоянного слежения за дорожкой записи.
За один оборот компакт-диска фокальное пятно лазера должно перемещаться по его радиусу на 1,6 мкм. Смещение фокального пятна по радиусу компакт-диска на 0,1 мкм, может привести к ошибке воспроизведения, поскольку 0,1 мкм – соответствует глубине пита. Неизбежный эксцентриситет и осевое биение компакт-диска много больше вышеприведенных величин. Поэтому в устройствах лазерной записи и воспроизведения предусмотрены следящие системы, поддерживающие положение фокального пятна относительно дорожки записи компакт-диска.
При тиражировании компакт-дисков неизбежно возникают некоторые отклонения записи – эксцентриситет. Предельная величина эксцентриситета, в соответствии со стандартом, не должна превышать ±70 мкм. Для воспроизведения информации с дорожки шириной 0,5–0,8 мкм нужно, чтобы сфокусированный луч лазера удерживался на ней с точностью ±0,1 мкм. Поэтому требуется применение системы автоматического слежения за дорожкой, называемой автотрекингом. Исполнительный механизм такой системы должен перемещать объектив (или всю оптическую систему) в радиальном направлении, компенсируя влияние эксцентрисита.
Существует несколько способов реализации систем автоматического слежения, применяемых в аппаратуре для воспроизведения компакт-дисков.
Рассмотрим работу системы на примере способа трех лучей. Для его реализации, кроме основного считывающего луча, необходимо иметь еще два дополнительных, которые формируются путем расщепления основного луча. Для формирования дополнительных лучей в качестве светоделителя с равным успехом могут быть использованы полупрозрачное зеркало, поляризационная призма, фазовая дифракционная решетка или оптические клинья. Расположение основного и дополнительных пятен на дорожке при трехлучевом способе автотрекинга показано на рис. 4.
Рис. 4. Положение фокальных пятен на дорожке при трехлучевом способе автотрекинга
Основной луч А располагается посередине, а дополнительные В и С – по обеим стронам от него вдоль оси дорожки на расстоянии Y. Кроме того, дополнительные лучи смещены перпендикулярно оси дорожки на некоторую величину Х. Один (В) смещен влево, другой (С) – на такую же величину вправо. Каждому из трех лучей соответствует свой датчик светоприемника.
Когда основной луч А следует точно по центру дорожки, дополнительные лучи В и С только слегка захватывают ее каждый со своей стороны. Сигналы с фотоприемников дополнительных лучей одинаковы, а разность их, соответственно, равна нулю. Если основной луч А смещается в ту или иную сторону, то один из фотоприемников дополнительных лучей начинает получать больше света, а другой - меньше. При их вычитании получается определенная разность, которая и будет характеризовать величину и знак сигнала ошибки.
Из-за простоты и устойчивости в работе способ трех лучей получил наиболее широкое распространение в проигрывателях компакт-дисков.