音响技术(2012年秋修改)第4章

第4章激光唱机4.1CD机基础知识4.2CD机相关知识4.3CD机拓展知识

4.1

CD机基础知识

1982年，由荷兰飞利浦公司和日本索尼公司联合推出了一种被称为CD(CompactDisc)唱机的数字音频设备，它是利用激光头读取固化在光盘上的音频数字信息，再经电路处理还原模拟信号的音频重放设备，又称激光唱机，简称CD机。4.1.1

CD机的结构与特点

CD机的基本组成包括机芯和电路两部分。

1．机芯的基本组成

CD机机芯的基本组成如图4－1所示，主要由托盘进出机构、光盘装卸机构、光头进给机构、光盘旋转机构、夹持机构和光束聚焦与循迹机构等部分组成。图4－1

CD机机芯的基本组成方框图托盘进出机构、光盘装卸机构与夹持机构安装在塑料机座上，托盘通过齿条与机座上的托盘进出机构中的主凸轮啮合。加载电机安装在机座上。唱片旋转机构和光头进给机构安装在钢制芯座上，通过螺钉压固在机座上。芯座嵌在升降凸轮槽内，随着升降凸轮的转动而上下移动。

2.电路的基本组成

CD机电路的基本组成如图4－2所示，主要由激光头、信号处理系统、机芯伺服系统、控制显示系统、电源电路等部分组成。图4－2

CD机电路的基本组成方框图激光头（俗称激光拾音器）主要用于读取CD唱片上的数字音频信号，它采用的是一种光学非接触读取信息方式。激光头发射波长为780nm的激光束，由CD机的伺服系统控制，准确照射在信号轨迹上，有信号坑的地方反射激光少，无信号坑的地方激光几乎被全部反射。该反射光强的变化由激光头中光电二极管接收并转变为二进制电信号。

信号处理系统包括RF信号处理器、数字信号处理器、数字滤波器与音频数/模变换器以及低通滤波器等。其中数字信号处理(DSP)电路是信号处理系统的核心部分，一般使用超大规模集成电路。

CD机中含有四种独立的伺服机构，其中，聚焦伺服机构使物镜作上、下微动，以使激光束正确聚焦在唱片的信号面上；循迹伺服机构使物镜作径向微动，以使激光束始终对准信号轨迹中心，正确地进行扫描；进给(滑动)伺服机构使整个激光拾音器沿径向移动，完成正常读碟和特殊播放；主轴伺服机构用恒线速(CLV)方式控制光盘旋转。

控制显示电路包括机芯工作状态的控制、电路工作状态的控制、键盘操作与遥控接收以及显示驱动等电路，其核心是一块专用的微处理器(CPU)芯片。

CD机的电源常采用串联调整式稳压电路，高档机采用开关稳压电源电路。稳压电源向CD机各部分电路，如数字电路、模拟电路、驱动电机、显示电路等提供工作电源。

3．CD机的特点

CD机与磁带录音机和早期的模拟唱机相比，具有如下几个方面的特点。

（1）光盘记录密度高，存储容量大。由于在CD光盘中采用了激光高密度记录技术，使得一张12cmCD光盘上可以存储大约650MB的信息，可以播放74min高质量的双声道立体声伴音。

（2）电声性能指标高，重放音响效果好。在CD机中，由于采用了激光技术和数字信号处理技术，使信号的记录与重放技术得到极大的改善，进而使重放的声音更加逼真，音质更加完美。常用CD机的主要性能指标为：频率响应为20Hz~20kHz；信噪比大于96dB；动态范围大于96dB；分离度大于96dB；谐波失真小于0.05%。（3）非接触读取信息，光盘永不磨损。由于采用激光读取光盘信息，激光头与光盘之间无任何接触，使得光盘不会发生磨损现象，易于长久保存。

（4）光盘制作成本低，便于大规模生产。CD光盘制作时，首先是将节目盘录制在母盘上，再将母盘制作成模具，然后在注塑机中直接注压成形。因此，光盘在大批量生产时，工序少，成本低。

除此之外，CD机还具有操作功能强、检索速度快、纠错能力较强等特点。4.1.2

CD机的基本工作原理

CD机的主要功能是播放CD唱片。CD唱片以适当的速度旋转，激光头拾取从唱片上反射回来的激光束，重新获得数据信息，并尽可能使数据信息精确地还原为原始模拟信号。

1．激光拾音器

1）激光拾音器的作用与性能要求

激光拾音器的主要作用是读取CD唱片的反射信号并产生聚焦误差信号和循迹误差信号。目前市场上主要有以Sony机芯为代表的三束光激光头和以Philips机芯为代表的单束光激光头，两种结构的主要区别是产生循迹误差信号的方式有所不同。为了使激光拾音器能够准确地拾取CD唱片上的数字音频信息，对激光拾音器有如下技术要求：

(1)具有自动功率控制(APC)电路，保持激光二极管发射的激光束功率恒定。

(2)具有自动聚焦装置，驱动物镜上下垂直移动，使激光束能准确聚焦于CD唱片的信息层，拾取最大的光反射信号。

(3)具有自动循迹装置，驱动物镜左右平行移动，使激光束能准确跟踪CD唱片上的信息轨迹。

(4)具有光学分光装置，能将发射光和反射光分离。

(5)具有光敏接收装置，能将反射光转换成电信号。

2）激光拾音器的组成与工作原理

激光拾音器是CD机中的关键部件，它是利用激光束从CD唱片上读取数字音频信号的光/电转换装置，主要由激光二极管、光学系统及光敏检测器等部件组成。三束光型并非使用三个激光头，而是利用光学原理将激光二极管发射出的激光束一分为三，其等效原理结构如图4－3所示。由于单束光型的伺服电路比三束光型的要复杂一些，所以实用产品中使用三束光型的较多。激光属于电磁波，具有波动性，它的传播是一面振动，一面向前传播。当电磁波振动平面与前进方向垂直时，称为偏振光。根据合成振动矢量的不同，又可分为直线偏振光和圆形偏振光。图4－3三束光型激光拾音器的等效原理结构在图4－3中，激光二极管发射波长为780nm的直线偏振光，光电二极管与激光二极管位置靠得很近，处于同一封装内，直接检测激光强度并将其转换为电信号，送至外部的自动功率控制电路APC。APC电路输出控制电压，控制激光二极管的受激状态，使发射的激光功率保持恒定。

单束激光经过衍射光栅分裂为三束激光，中间的主光束用于从光碟上拾取数据信息，主光束两边的副光束用于产生循迹信息。三束激光穿过偏振棱镜、准直透镜形成平行光束，当继续通过由异方向结晶石英制成的1／4波长片时，光束偏振方向将逆时针旋转45°，由直线偏振光变成圆形偏振光，借助物镜将激光束聚焦后，投射到CD唱片的信号面上。

激光束经CD唱片信号面反射逆行，穿过物镜，再次反向穿过1／4波长片，激光束偏振方向又将逆时针旋转45°，变回直线偏振光，但此反射光已与入射光形成90°相位差，再次通过偏振棱镜时，将发生90°折射而进入柱面透镜，实现了入射光与反射光的分离柱面透镜的作用是产生聚焦信号，当主激光束在CD唱片上聚焦良好时，反射回来的主光束照射在A、B、C、D四只光电二极管的中心，形成一个圆形光斑。若主光束聚焦不良，柱面透镜使反射主光束在四只光电二极管上形成一个椭圆光斑，且椭圆光斑的倾斜方向与聚焦不良的方向有关。

光检测器阵列通常由A、B、C、D、E、F六只光电二极管组成，并按一定的阵列方式进行连接。六只光电二极管依据接收到的反射激光束的强度不同，产生以下三种电信号：射频信号：RF＝A+B+C+D，是CD光碟的主信号，又称为眼图信号，它包含了CD光碟的全部数据信息，由主激光束照射在A、B、C、D四只光电二极管上而生成。

循迹误差信号：TE＝E-F，由两个副激光束分别照射在E、F两只光电二极管上而生成，它包含的是主激光束偏离光碟信息轨迹的状态信息。

聚焦误差信号：FE＝(A+C)-(B+D)，由主激光束照射在A、B、C、D四只光电二极管上而生成，它包含的是主激光束在CD光碟上的聚焦状态信息。

2.RF信号处理电路

1）RF信号处理电路的作用

RF信号处理电路的主要功能是对来自激光拾音器的光电信号进行放大、对称性校正及波形整形，输出能被正确识别的EFM信号，送至数字信号处理（DSP）电路；同时输出聚焦伺服和循迹伺服的误差信号，送至伺服信号处理电路。

2）RF信号处理电路的组成与工作原理

光检测器阵列输出三个基本信号，即EFM信号、聚焦误差信号和循迹误差信号，如图4－4所示。图4－4光检测器阵列输出信号（1）光检测器阵列。由CD唱片反射回来的激光信息，经过六只光电二极管转换成电信号。其中，中间的四只二极管A、B、C、D按对角线形式连接，即A与C一组，B与D一组。这两组光电二极管的输出信号分别馈至聚焦误差放大器和相加放大器，光电二极管E和F的输出信号馈至循迹误差放大器。

（2）聚焦误差放大器。聚焦误差放大器首先对A、B、C、D四只二极管的两组输出信号分别进行放大，然后再由一个差分放大器对这两组信号进行比较放大，形成聚焦误差信号。其大小和极性与聚焦误差的程度和方向有关，如图4－5所示。当主激光束在CD唱片上聚焦良好时，反射回来的主光束照射在A、B、C、D四只光电二极管的中心，形成一个圆形光斑，四只光电二极管接收到的激光束相等，则聚焦误差信号FE＝(A+C)-(B+D)＝0，无聚焦误差信号产生；若主光束聚焦不良，反射回来的主光束在四只光电二极管上形成一个椭圆光斑，则聚焦误差信号FE＝(A+C)-(B+D)＞（或＜0），即误差信号的极性与聚焦不良所发生的方向有关，信号的幅值与聚焦不良的程度有关。该误差信号驱动聚焦线圈，使物镜作垂直方向移动，完成自动聚焦功能。图4－5聚焦误差信号的产生原理（3）循迹误差放大器。E和F光电二极管的输出信号只用于循迹。若两个副激光束分别照射在E、F两只光电二极管上的激光相等，则循迹误差信号TE＝E-F＝0，说明激光束没有偏离光碟信息轨迹，无循迹误差信号产生。反之，则循迹误差信号TE＝E-F≠0，有循迹误差信号产生，信号的大小和极性与循迹误差的程度和方向有关，如图4－6所示。该误差信号经差分放大器放大，驱动循迹线圈，使物镜作水平方向移动，完成自动循迹功能。图4－6循迹误差信号的产生原理（4）相加放大器。相加放大器的输入信号是A、B、C、D四只二极管的两组输出信号。这两组信号在放大器中相加，输出的是四只二极管的求和信号，该信号称为射频信号或眼图波形，它包含来自唱片上的全部数据信息，如图4－7所示。图4－7眼图波形为了还原原始模拟音频信息，还应对射频信号作进一步处理。RF射频信号的波形反映了激光唱机和激光唱片的特性，信号周期与唱片上的凹坑或凸点的长度有关，同时也与信号处理器的时钟频率有关。信号的最短周期对应唱片上最短的凹坑或凸点的长度，等于时钟周期的三倍（时钟频率为4.3218MHz）。

相加放大器的输出信号，经电容C耦合，分别送往EFM比较器、FOK放大器和镜式放大器。（5）EFM比较器。相加放大器输出的射频信号，一路经EFM比较器进行放大，转换成前后沿陡峭的方波信号输出。方波信号的波形是否规范直接影响后级电路的工作状态，因为方波信号的前后沿正是代表了数据流中的数字1。

在CD唱片制作过程中，CD母片的“铸模”由于连续压制会出现磨损，使得唱片的凹坑或凸点的边缘失去明显界限，CD机识别凹坑的起始点位置产生较大偏差，影响了数字1的有效检出。为此，EFM比较器通常有两路输入信号，即射频信号和ASY（不对称）电压，ASY电压是通过方波射频信号与解码器中锁相环的时钟信号相比较，再经过滤波后产生的，所以ASY信号与EFM的时基保持严格同步，可以确保数据1在准确位置被检出。（6）FOK（聚焦确认）放大器。相加放大器输出的另一路射频信号送FOK放大器。CD唱片插入唱机时，聚焦伺服系统首先驱动物镜完成聚焦动作，使射频信号输出最大，经FOK放大器放大，输出一个高电平的FOK信号，该信号再送往与聚焦有关的电路，使聚焦伺服系统处于闭环受控状态。在多数CD唱机中，FOK信号同时作为唱片已经插入，要求控制电路做好放唱准备的标志。（7）镜式（循迹搜索）放大器。相加放大器输出的射频信号，第三路送镜式放大器产生镜式信号。控制电路依据镜式信号识别激光束的循迹是否正确。当镜式信号为低电平时，表示激光束正确循迹；当镜式信号为高电平时，表示激光束循迹存在偏差。如果镜式信号保持高电平的时间超过规定值，控制电路将会输出触发信号，驱动循迹伺服系统纠正循迹偏差，直至镜式信号保持低电平为止。另外，唱机执行自动选曲操作时，也要用到镜式信号。

在RF放大电路后面通常还有失落检测器，其作用是检测RF信号中的信号失落，稳定循迹伺服，防止失落影响，并将检测信号提供给数据切块电路进行处理，以免出现数据错位。

在RF放大电路后面还有离轨检测器，其作用是当CD唱机在搜索、跳越状态时，循迹伺服电路关闭，CPU则通过离轨检测信号确定激光头的位置。

3.伺服控制系统

1）伺服控制系统的作用与组成

CD机中包含各种伺服系统，以便使激光束准确聚焦在唱片表面上，同时能使激光束在唱片表面正确循迹。

CD机的机械操作系统比较简单，由驱动电机、光学装置、加载/去加载机构以及能使物镜作垂直和水平移动的驱动线圈构成。

CD机通常有3只电机作为机械系统的动力源，分别是托盘电机(TrayMotor)，又称装载电机，负责带动CD托盘和CD唱片压片机构动作；径向给进电机(FeedMotor)，负责带动激光头作径向移动；主轴电机(DiscMotor)，又称唱盘电机，负责带动CD唱片旋转。

CD唱片装载机构是控制CD唱片托盘进出机器的装置。为了检测CD托盘的位置以及托盘移动是否到位，以便关闭或接通托盘电机，在CD机中设有位置检测开关。

主轴电机系统带动CD唱片作恒线速旋转。CD唱片压片机构的动力由托盘电机提供。CD唱片装入唱机后，被压片机构卡牢，这一动作由主轴电机机构整体作向上移动完成，退片时该机构向下移动，松开CD唱片。通常设一位置开关（U/DSW）检测压片动作完成情况，确保正确执行了压片动作后，主轴电机才可以转动。激光头径向移动系统的动力由径向进给电机提供。在CD唱片旋转的同时，径向移动系统带动激光头作径向移动。在伺服系统的控制下，激光束始终照射在唱片的信号轨迹上，读取信息，执行重放、选曲或搜索操作。径向移动系统的传动机构有齿条型、丝杠型和线性电机型。该系统也设有位置检测开关，相对于唱片的最内圈位置为起始限位开关，最外圈位置开关可有可无。CPU根据激光头位置检测开关的状态，启动CD机激光头工作、启动或关闭激光头径向进给电机的动作。为确保激光束能准确跟踪唱片轨迹并成像在光电检测器上，按规定的速率读出数据，在激光唱机中，通常应具有以下四种独立的伺服系统：

聚焦伺服系统——驱动物镜垂直移动，使激光束在唱片的放音面上保持良好聚焦。

循迹伺服系统——驱动物镜横向移动，使激光束始终沿着信息轨迹扫描。

进给伺服系统——又称滑动伺服系统，与循迹伺服系统共同作用，使激光束精确跟踪信息轨迹；另外执行选曲操作时，可使激光头沿径向快速移动到指定位置。

主轴伺服系统——依据激光束所处的不同位置，改变主轴的旋转速度，确保唱片以恒线速度旋转，使激光头在单位时间内拾取相同的信息量。

2）伺服控制系统的工作原理

（1）聚焦伺服系统。聚焦伺服系统的工作过程：放大聚焦误差信号，放大后的信号驱动聚焦线圈，聚焦线圈套在物镜上带动物镜作垂直移动，保持激光束在唱片的放音面上精确聚焦。聚焦伺服系统的控制原理如图4－8所示。图4－8聚焦伺服系统控制原理框图图中系统控制电路控制聚焦伺服系统各电路协调工作。刚开机时，激光头大多不在聚焦误差S曲线跟踪范围之内，所以必须执行聚焦搜索动作，使激光头物镜在垂直方向作大幅度上下移动，找到焦点，使物镜进入聚焦伺服可以控制的范围。

执行聚焦搜索时，系统控制先断开聚焦伺服环路，由系统控制向聚焦驱动电路输入锯齿波搜索驱动信号，驱动物镜作上下3次搜索动作。若唱机正常，物镜动作一次即可完成搜索。找到焦点后，再接通伺服环路。聚焦搜索的另一作用是判断机内是否装入了唱片。当唱片和物镜之间的距离接近焦距，FOK检测电路输出高电平，聚焦搜索停止，接通聚焦伺服环路开关，使系统进入聚焦跟踪状态。此时，聚焦误差检测电路检测出聚焦误差信号，经放大、相位补偿、聚焦驱动电路，驱动聚焦线圈带动物镜作垂直方向上下移动，始终跟踪唱片，实现聚焦伺服控制。（2）循迹伺服系统。循迹伺服系统的工作过程：放大循迹误差信号，放大后的信号驱动循迹线圈，循迹线圈也套在物镜上带动物镜作水平移动，保持激光束在唱片的放音面上始终对准信息轨迹的中心。循迹伺服系统的控制原理如图4－9所示。

当激光束偏离信号轨迹时，循迹误差信号检测器根据偏离方向可以获取不同极性的误差信号，经相位补偿、驱动放大后输出到循迹线圈，控制物镜作径向移动，修正激光束的位置偏差，达到循迹伺服目的。图4－9循迹伺服控制系统原理框图（3）进给伺服系统。径向进给伺服是通过径向进给电机控制整个激光头在唱片有效工作区内作径向移动，属于循迹粗伺服。而循迹伺服是通过光头内的循迹线圈控制物镜在激光头这个小范围内作径向移动，跟踪唱片轨迹，属于循迹细伺服。

唱片正常重放时，激光头物镜沿螺旋状音轨进行顺次扫描，进给伺服控制激光头所做的径向移动是间歇式的，在激光头停止不动的情况下，物镜仍可以在一定范围内对唱片轨迹加以跟踪。随着重放的进行，物镜在循迹伺服的作用下偏离光头机械中心，向唱片外侧移动继续跟踪唱片轨迹，循迹误差信号逐渐增大。当物镜不能继续向外侧移动跟踪轨迹时，循迹误差信号也逐渐增大到某一门限电平，径向进给电机被启动，推动整个激光头向唱片外侧移动一步，然后光头再次停下，物镜重新回到循迹调节器的机械中心，循迹误差信号逐渐减小，进给电机停止工作，由物镜完成循迹细伺服。选曲时，系统控制电路首先断开进给伺服回路，进给电机被加上一定的正或负电压，使激光头快速地从内圈移至外圈或相反。激光头移动的距离是通过计算以1.6μm为周期的循迹误差信号的周期数而确定的。通常，激光头一次移动很难达到目标位置，在第一次移动后，必须使循迹伺服系统工作，重放信号，计算出与目标位置的偏移量，进行正向或反向的移动修正，完成选曲过程。进给伺服系统的控制原理如图4－10所示。图4－10进给伺服系统控制原理框图（4）主轴伺服系统。主轴伺服的目的，就是使激光头在单位时间内拾取的信息量为一恒定值。

光盘在刻录时，是以恒定线速度（CLV）刻录信息坑点的，激光头在读取光盘信息时，也应该匀速读取坑点信息。由于光盘信息轨迹的半径各不相同，要保持恒线速度旋转，主轴电机的转速应随光盘半径增大而变慢。主轴伺服系统控制原理框图如图4－11所示。图4－11主轴伺服系统控制原理框图激光头在读取唱片内圈信息时，唱片转得快些，约为500r／min；激光头从内圈向外圈移动时，CD唱片的转速应逐渐降低，一般由500r/mim减至200r/min，约有2.5倍的变化。由此可见，要保证CD唱片的恒线速度，驱动唱盘的主轴电机必须作变速运动，始终保持光头与被读取轨迹的相对速度为1.25m/s。主轴伺服原理是先从EFM信号中，经帧同步检测电路取出帧同步脉冲，主轴电机转速正常时，帧同步脉冲频率为7.35kHz（EFM信号数据频率为4.3218MHz，一个信息帧由588位数据组成，则帧同步脉冲频率为4.3218MHz÷588=7.35kHz）。当主轴电机旋转过快或过慢时，从EFM信号中取出的帧同步脉冲频率将大于或小于7.35kHz。此时读出的帧同步脉冲频率与机内标准的7.35kHz信号同时送至相位比较器，进行频率、相位比较。比较结果送伺服控制电路，产生主轴伺服误差信号，经驱动放大后，改变主轴电机的旋转速度，使帧同步脉冲频率自动锁定在7.35kHz，以避免由此而引起的图像抖动和彩色闪烁。

4.数字信号处理（DSP）电路

1）DSP电路的作用与组成

DSP电路的主要功能是把模拟信号形式的RF信号进一步整形成数字EFM信号，并进行EFM信号解调，再经过纠错、去交织等处理，输出音频数据至D/A变换器；同时分离出子码数据，送CPU进行系统控制和显示。EFM解调与数字信号处理电路原理框图如图4－12所示。图4－12

EFM解调与数字信号处理电路原理框图

2）DSP电路的工作原理

射频放大器输出EFM信号送数字信号处理电路，对VCO进行锁相，使压控振荡器VCO的输出信号频率为8.6436MHz，经二分频电路产生4.3218MHz的位时钟信号；同时，EFM信号经闭锁/边沿检波器送23位移位寄存器。

寄存器的输出分两路，一路送帧同步检波器，取出帧同步信号，送主轴伺服电路，控制主轴电机的转速；另一路送EFM解调器进行解调，将每个14位数据恢复为对应的8位数据，同时将其中的耦合位去掉，再除去其中的控制字和纠错字，将剩下的数据两两配对成16位PCM数据。经EFM解调后的PCM数据信号，一般要先写入RAM，然后从RAM中读出，再送回信号处理电路。由于经RAM重新读出的数据，受晶体振荡器产生的位时钟脉冲控制，从而消除了唱机转速变化及其抖晃对数据读出的影响。

由RAM重新读出的PCM数据，经过CIRC纠错、补偿、去交织等运算处理后，以串行方式输出串行数据到数字滤波器和D/A变换器，还原出原始模拟音频信号。子码解码器用于从数据流中检测出8位控制数据信息，将这些控制信息送微处理器，进行系统控制和显示。

5.数字滤波器和D/A变换器

1）数字滤波器和D/A变换器的作用

数字滤波器的主要作用是提高音频信号的信噪比，D/A变换器的作用是将DSP电路输出的数字音频信号转换成模拟音频信号。

2）数字滤波器和D/A变换器的工作原理

D/A变换器在将数字音频信号转换成模拟音频信号的过程中，会产生量化噪声和重叠噪声，降低了音频信号的信噪比。

数字滤波器采用过量取样技术，即通过内插方式使取样频率倍增，可以有效降低量化噪声和重叠噪声，改善滤波效果，提高音频信号的信噪比。

D/A变换器把DSP电路输出的音频数字信号转换成模拟音频信号，通常有两种方式：

（1）采用数字信号直接控制模拟电子开关网络，通过开关切换权电流或权电阻。例如将16位数字信号送入由16位电子开关网络组成的D/A变换器，对应数字信号为1的电子开关将闭合，将所有对应于数字1的支路电流相加，再经过电流－电压变换，就可获得一个与该数字信号所含1的个数成正比的模拟电压值。当连续不断的数字信号输入D/A变换器，便能获得原始模拟信号。常用模拟开关网络的位数有16位、18位、20位、24位之分。位数越多，则D/A变换的精度越高，信号还原越准确，信噪比越高，音质、音色的保真度越好。

（2）利用脉冲宽度调制器（PWM）将16bit的数字信号转换成比特流，即转换成脉宽与之数据大小相对应的脉冲串，再通过低通滤波器将脉冲串积分成与之大小相对应的音频信号。

6.控制与显示系统

1）控制与显示系统的作用

CD机的控制系统是整机的指挥中枢，如图4－13所示。控制系统的核心是微处理器，其内部固化了系统软件程序、存储器、输入/输出接口等。微处理器的输入信号来自各功能操作按键、遥控器、状态检测传感器、各限位开关所产生的操作信息。微处理器根据这些信息与CD机的实际工作状态进行判断和运算，产生各种控制指令，输出到相应的执行机构，同时将有关信息通过显示器显示出来。图4－13

CD机的控制系统框图

2）控制与显示系统的组成与工作原理

控制系统由电路控制和机械控制两部分组成。

电路控制包括：按键、遥控器、各种开关检测等信息的输入、各伺服电路控制、数字信号处理电路控制、各种信息的显示控制、音频电路（如静噪、去加重）控制等。

机械控制包括：出入盘机构的控制、进给机构的控制等。微处理器输出各种状态信息，驱动多功能显示屏，可以显示系统的工作状态。目前CD机普遍采用液晶显示或荧光屏显示方式。由于液晶本身不发光，所以液晶显示需借助其它发光体作为背景光源；荧光显示是一种真空管式结构，显示器中的每个字符为一个显示单元，显示单元中的字符笔划由金属片组成，金属片上涂以荧光粉，并作为真空管的阳极。显示器的多个单元共用一个阴极，通过灯丝给阴极加热，使阴极发射电子，电子发射到阳极使阳极发光，显示出相应字符。栅极电压相对阴极为负，可以控制电子飞向阳极，每个显示单元的栅极连接在一起。为了显示多种字符，显示屏通常由多个显示单元构成，微处理器通过对这些栅极进行快速扫描，实现多字符显示。

7.电源系统

1）CD机电源系统的作用

CD机的电源系统为数字处理电路、各种伺服电路、模拟信号放大电路、电机及显示电路等提供所需的各种电源，其中包括：供CPU及小信号处理电路（LD、RF放大、DSP、数字滤波器）的5V稳压电源，供驱动电机及音频放大电路的8V非稳压电源，供多功能显示屏灯丝的1.5V交流电源和直流30V的屏栅电源等。

2）CD机电源系统的组成与工作原理

CD机的电源系统主要有串联调整式稳压电源和开关稳压电源两种电路形式。串联调整式稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等部分组成。基本稳压原理是由取样电路检测输出电压的变化，通过反馈的方式控制调整管的导通状态，使输出电压基本保持不变。串联调整式稳压电源的结构框图如图4－14所示。图4－14串联调整式稳压电源的结构框图开关稳压电源的核心是一个DC/DC变换器，基本稳压原理是由取样电路检测输出电压的变化，通过反馈的方式改变开关脉冲的占空比或频率，使输出电压基本保持不变；另外通过改变开关变压器的匝数比可获得不同的直流电压。开关电源的结构框图如图4－15所示。图4－15开关电源的结构框图

8.CD机实用电路分析

采用Sony方案的CD机主电路框图如图4－16所示。主要电路由以下四块集成电路组成：

D110：RF信号处理电路CXA1821M。

D109：数字信号处理与数字伺服处理电路CXD2545Q。

D105：聚焦、循迹、进给和主轴电机驱动电路BA6392FP。

D111：加载电机驱动电路BA6209A。图4－16

Sony方案的CD机主电路框图该电路工作时，激光头将唱片反射回来的激光信号转换为高频电信号，送RF信号处理电路D110，该高频信号经D110放大、整形等处理，输出EFM信号送数字信号处理和数字伺服处理电路D109。D109的输出信号分两路，一路为聚焦误差、循迹误差等伺服信号，送D105进行驱动放大后，分别实施对聚焦线圈、循迹线圈、进给电机、主轴电机的伺服控制；另一路为数据信号，包括串行数据（DATA）、位时钟（BCK）、左右声道信号（LRCK）等，该路信号送解码电路，还原模拟音频信号。复位时钟和数据通信电路如图4－17所示。接通电源瞬间，复位脉冲对微处理器进行复位，同时输出复位脉冲送D109的81脚，D109完成复位后，电路进入正常工作状态。图4－17复位时钟和数据通信电路图4－18托盘进/出控制电路当微处理器收到闭仓（CLOSE）指令时，从D111的3脚输入加载信号，经D111放大后，由7、8脚输出驱动电流，使加载电机正转，将托盘水平移动至机内播放位置。托盘到位后，位置开关S1闭合，将托盘进仓到位的信息输入微处理器，微处理器输出信号控制加载电机停转，完成托盘进仓动作。

当微处理器收到开仓（OPEN）指令时，微处理器向D111的2脚输出卸载信号，经D111放大后，由7、8脚输出反向驱动电流，使加载电机反转，将托盘水平外移至机外固定位置。托盘到位后，位置开关S2闭合，将托盘出仓到位的信息输入微处理器，微处理器输出信号控制加载电机停转，完成托盘出仓动作。图4－19激光头组件控制电路

CD机加电后，激光头被复位，微处理器输出激光二极管工作指令（LDON），并送D110的19脚，D110的1脚被置于低电平，三极管V103导通，为激光二极管LD提供驱动电流，激光二极管发射激光。

当激光强度过强或过弱时，激光检测二极管PD将激光强度转变为电信号送APC电路，经APC电路运算放大后，通过改变D110的1脚电压，控制V103的导通状态，改变LD的发光强度，达到自动控制LD发光功率的目的。图中电位器用于设置PD的偏置电压，调整电位器可设置LD发射的初始激光功率。索尼机芯激光头采用6分光敏接收器，如图4－17所示。其中光敏管A、B、C、D用于接收主激光束，产生聚焦误差信号与RF信号；两个边缘光敏管E、F接收辅助激光束，产生循迹误差信号。

若物镜聚焦良好，主激光束照在A、B、C、D上的是一个正圆，如图4－20（a）所示，各光敏管接收相等光通量，则(A+C)-(B+D)＝0，此时无聚焦误差信号输出。当物镜聚焦不良时，照在A、B、C、D上的是一个横向或竖向椭圆，如图4－20（b），（c）所示，此时在A、B和C、D上的光通量不等，即(A+C)-(B+D)≠0，此信号即为聚焦误差信号。图4－20激光头6分光敏接收器如图4－19所示，将聚焦误差信号送D109进行数字处理，由D109的8、9脚输出聚焦伺服PWM信号，经D105进行聚焦驱动放大，由D105的1、2脚输出驱动信号，接入聚焦线圈，聚焦线圈带动物镜进行垂直移动，保持最佳聚焦状态。

光敏二极管E、F为循迹伺服提供误差信号，激光头的两束辅助光束经唱片反射后照射在E、F上。当激光束循迹正确时，E、F上的光信号强度相等，E-F=0，无循迹误差信号产生；当激光束循迹发生偏离时，E、F上的光信号强度不相等，E-F≠0，此信号即为循迹误差信号。将该信号送D109进行数字处理，由D109的4、6脚输出循迹伺服PWM信号，经D105进行循迹驱动放大，由D105的12、13脚输出驱动信号，接入循迹线圈，循迹线圈带动物镜进行水平微动，保持最佳循迹状态。进给误差信号也由光敏接收器E、F产生。将循迹误差信号经低通滤波器取出低频成分，形成进给误差信号。将该信号送D109进行数字处理，由D109的2、100脚输出进给伺服PWM信号，经D105进行进给驱动放大，由D105的16、17脚输出驱动信号，驱动进给电机转动，并带动激光头作步进水平位移，但位移量不可超出循迹伺服控制范围。

由D110输出的RF信号送D109进行数字处理，由D109的96脚输出主轴伺服PWM信号，经D105进行驱动放大，由D105的26、27脚输出驱动信号，驱动主轴电机转动。由于采用了PLL锁相环电路，主轴驱动信号与位时钟频率保持严格同频同相，使主轴电机保持恒线速度转动。

4.2

CD机相关知识

4.2.1

CD光盘的结构

CD光盘是一种高精度的信息存储载体，常用的CD光盘有8cm和12cm两种。图4－24所示为12cmCD光盘的结构示意图。图4－24

12cmCD光盘的结构示意图由图4－24可见，CD光盘的标准直径为12cm，光盘中央的中心孔直径为15mm，在刻录与播放时用于定位光盘；在中心孔之外26～36mm之间为夹持光盘区，用于固定光盘；46～50mm之间为导入区；50～116mm之间为信息区，是用户所需的主要数据信息区；116～117mm之间为导出区；117～120mm之间为光盘的边沿区。

由光盘的剖面图看，光盘分为三层：一层为透明光盘基板，一般多用聚氯乙烯(PVC)、丙烯基(PMMA)或聚碳酸脂(PC)等构成，其中聚碳酸脂作为制造CD光盘的基本材料，具有耐热、耐湿及良好的成型性能；中间层为氧化铝反射涂层，用金属薄膜铝采用蒸镀方法形成；在反射层上面是保护层，一般由硬树脂制成。在保护层上面为标签面。光盘重量控制在14～33g之间。4.2.2

CD光盘信号的记录

1.CD光盘信号的记录过程

CD光盘信号的记录过程如图4－25所示。双声道音频信号经低通滤波器滤除20kHz以上的噪声信号，经A/D变换器分别将L、R双声道音频信号变为2路16bit的数字信号，再经多工编辑器1，按照一定的规律将2路信号合并为1路数字码流信号，多工编辑器1的工作状态受声道时钟脉冲控制。串行数字码流信号经纠错编码器将16bit的串行数字码流分为高8bit和低8bit的2个字长数据字，再将每个8bit数据字的排列顺序打乱，按照特定算法重新排序，称为交织处理。然后在每12个数据字节(1字节＝8bit)之后插入4个字节的CIRC纠错码，经多工编辑器2将代表字符显示等信息的控制码（称为子码）加到数据码流的特定位置，再将8bit的串行数据码流依据特定规则扩展为14bit，称为EFM调制。还需经多工编辑器3加入24bit的帧同步码，最后再以激光刻蚀的方式将数字码流信息记录在光盘上，光盘上记录的数字信息呈坑点状态。图4－25

CD光盘信号的记录过程

2.CD光盘信号处理技术

1）音频信号脉冲编码调制技术

数字音频信息记录在CD光盘上，采用的是脉冲编码调制（PulseCodeModulation）方式，即PCM方式。

PCM方式包括取样、量化和编码三个基本环节。音频信号经低通滤波器滤波后，由取样、量化、编码三个环节完成PCM调制，实现A／D变换。形成的PCM数字信号再经纠错编码和调制后，录制在CD光盘上。放音时，从CD光盘上取出数字信号，经解调、去交织等处理，恢复为PCM数字信号，再由D／A变换器和低通滤波器还原成模拟音频信号。需要指出，上述数字信号处理过程必须在同步信号的严格控制下才能进行。（1）取样。对振幅随时间连续变化的模拟信号波形按一定的时间间隔进行抽样，形成在时间上不连续的脉冲序列，称之为取样。这个时间间隔称为取样周期，其倒数即每秒的取样次数，称为取样频率。

根据奈奎斯特（Nyguist）取样定理，如果取样频率大于模拟信号上限频率的2倍，就不会在取样中丢失信息，可以使频带内的全部信息得到真实的复原。音频信号的频率上限为20kHz，则取样频率应为40kHz。为了避免重叠效应，CD光盘数字信号的取样频率为44.1kHz。当取样频率与被取样信号频率较为接近，如20kHz以上的频率成分进入模/数变换器时，便会产生属于音频范围的重叠频率，很有可能引起重叠效应。所以，音频信号在进行模数变换前，要先经过一个低通滤波器，滤除20kHz以上的频率成分，使重叠效应减少到最低限度。（2）量化。将模拟信号的幅度动态范围划分为相等间隔的若干等级，把取样输出的信号电平按照四舍五入的原则归入最靠近的量值等级，称之为量化。显然，实际取样值和归入的量值是有差别的，称为量化误差。划分的等级愈多，量化误差就愈小。在CD光盘数字信号编码中，量化等级为216＝65536级。

（3）编码。把取样、量化所得的量值变换为二进制数码的过程称为编码。在CD光盘数字信号编码中，通常采用16bit（位）二进制数表示一个量值，即量化位数为16bit。

经上述取样、量化和编码后所得到的数字信号称为PCM编码信号或PCM数字信号。

2）纠错编码技术

在CD光盘的制作或使用过程中，当由于某种原因使光盘表面产生了划痕或出现了脏物时，都有可能使光盘上读出的数据与原来所记录的数据产生误差，使重放声音出现失真。因此，必须采取纠正误码的措施。

CD机纠错的基本思路是将附加数据（如奇偶校验位）加于数据流中，并录制在光盘上。重放时，CD机中的纠错电路通过奇偶校验位来识别有错误的数据字，并给予纠正。具体方法有静噪、保持前面的字、线性内插等方式。（1）静噪。由识别电路将发生差错的数据字检测出来后，静噪电路将在出现差错的地方使扬声器不发出声音，达到去除数据字的效果。但是静噪只是在纠错过程中起作用，并且通常是在连续发生差错的情况下有效。

（2）保持前一字。模/数变换电路对原始模拟信号取样后，每一个取样值都被变成一个16位的数据字，16位数据字从全0到全1共有65536种不同组合。如果发生差错，用前面的数据字替代有差错的数据字，其结果与未发生差错的数据流相比，误差为1/65536，人的耳朵很难感觉出如此小的误差所引起的声音的改变。所以，保持前一字是一种可接受的纠错方法。（3）线性内插。取差错字的前一个数据字和后一个数据字的平均值，并用此值去替代这个差错字，称为线性内插，使用这种方法能得到更精确的纠错。

（4）奇偶校验。进行纠错，首先要在串行数据码流中判别是否出错及错在何处，CD技术是利用数据的奇偶性来判断的。具体做法是先将串行数据分组矩阵排列，然后在每行和每列数据的最后插入校验位0或1，0或1的选择依据是使该行或该列全部数据码中的1的个数总是为偶数或奇数（含校验位）。重放过程中若有误码产生（1变0或0变1），则该误码所在的行和列的奇偶性必将发生变化，由此便可确定该组数据中有无误码产生和产生误码的准确位置。误码位置确定了，纠错的任务就是将该误码作反变换，即0变1或1变0。（5）里德所罗门(CIRC)纠错编码。里德所罗门(CIRC)纠错编码又称交叉交织纠错编码，通过对数据进行交织和去交织处理，将连续误码拆分为离散的随机误码，使光盘在重放过程中出现数千位以内的连续误码均能得到有效纠正。

基本思路是：记录在光盘上的串行数字信号，不是按原有数字信号的排列顺序记录的，而是依据一定的规律将数字信号顺序重新排列后，再记录在光盘上，称为交织处理。重放光盘信息时，按照相反的规律将数字信号的排列顺序再恢复为最原始的排列顺序，称为去交织。这样，信号重放时出现的连续错码（群误码）经去交织处理后，群误码被拆分，连续误码变成了随机误码，从而极大地提高了对误码的识别和纠错能力。

3）EFM调制技术

模拟音频信号经取样、量化、编码和纠错编码后形成的数字信号，还不宜直接记录在光盘上。因为在数据流中可能会出现16位全部为0或1的情况，从光盘上读取这些数据时会使信号输出不稳定，也会造成伺服系统不稳定。为此，必须对纠错后输出的数字信号进行码形变换，以利于记录和重放，这个过程称为调制，CD光盘采用EFM调制方式。

EFM是英文EighttoFourteenModulation的缩写，即8位扩展到14位调制。先将纠错编码后的数据字进行分割，即每个16位数据字分成两个8位数据字，而每个8位数据字又被扩展成14位，作为最终的记录数据。这样做的目的是为了防止两个及两上以上的1连续出现，限制连续为0的数目，使重放时易于读出，并保持信号和同步的稳定。

EFM调制规定，将8位数据字扩展为14位数据字时，不能有两个连续的数字1出现；每两个1之间0的数目最少限制为2个，最多限制为10个，共有9种状态；同时规定，每逢数据字为1时，表示数据的脉冲电平改变一次。

在CD光盘中，用凹坑或平台代表1和0，经过EFM调制后，凹坑与平台的长度被限制在3～11个码元周期（3T~11T）之间，这样既便于读出，也不至于连续0过多而导致不稳定。8位数据字共有28＝256种排列方式，经EFM变换为14位数据字后共有214＝16384种排列方式，其中只有267种排列方式符合上述EFM调制的规定，可从中选择256种用来记录声音数据，使每一个8位数据都能对应其中一个14位数据。

EFM还规定，每两个14位数据字之间插入3位偶合位。这是因为，当一个14位数据字以1结尾，而下一个14位数据字又以1开始时，出现了连续两个1的情况，插入偶合位可以实现连续两个1的有效隔离，使数据连接更加符合EFM调制的规定，并尽量减少已调制信号中的直流分量和低频分量。

3．CD光盘数据的记录格式

CD光盘数据的记录采用帧结构格式，这是由于不采用帧结构格式时，当CD光盘出现缺陷，使信号长时间失落，或由于光盘抖动使数字信号偏移了一位，那么以后的重放信号都会由此出错而不能恢复正常。采用帧结构格式后，在记录数字信号时，把连续的数字信号分割为相对独立的小数据字段，这样的字段称为帧，在帧与帧之间插入作为分割符的帧同步信号。这样做之后，即使由于某种原因使重放信号丢失或混乱，由于有帧同步信号的存在，也能使下一帧信号到来时被强制同步，使重放信号恢复正常。

CD光盘数据每一帧共588位，依据功能不同分为6段，依次排列顺序为：24位同步字（同步码）、14位控制字（控制码）、12字节的音频数据、4字节的纠错码、12字节的音频数据、4字节的纠错码。另外在同步码、控制码之间以及音频数据、纠错码的每两个字节之间共设有34个耦合码，每个耦合码由3位二进制数字组成，作为数据段或字节之间的分段连接标志。CD光盘数据的帧结构格式如图4－26所示。图4－26

CD光盘数据的帧结构格式其中，帧同步码的作用是为了保证重放时能够保持原信号的顺序和节奏，准确地复原出原始音频信号。控制码（子码）的作用是为光盘提供识别信息，方便节目的快速定位、检索、显示和编辑。

除了帧同步码、控制码、耦合码外，实际每帧中只有24字节（24×14bit）用于传输音频信息。通常将98个帧组成一个播放段，又称为一个扇区，每一个扇区有98×24＝2352字节的音频数码信息，一首歌曲就是由许多个这样的扇区组成。重放时，依次从扇区各帧读出音频数码信息，先存储到缓冲存储器内形成流畅的数码流，再经数/模变换、低通滤波形成模拟音频信号。

4.3

CD机拓展知识

4.3.1

MD机

1.MD机的特点及性能

MD机的磁光盘直径为64mm，虽然其直径只有普通CD光盘的二分之一左右，但可以记录和重放74分钟的高质量数字音乐，记录节目的持续时间和重放音质水平与CD机相当，这是由于采用了特殊的音频数字信号压缩技术。

MD机播放的信息是以磁场的形式记录在磁光盘上的，所以MD机拾取信息的原理与CD机完全不同。MD机重放时，激光束照射在磁光盘上，利用磁光效应，使磁光盘上的磁场信息转换为光信息，激光头拾取这些光信息后再转换为电信号。

MD机既可以放音又可以录音，磁光盘可重复录音达100万次以上。磁光盘上的信息是通过磁头记录在磁光盘上的，基本原理与磁带录音机相似，区别在于磁带录音记录的是模拟信号，MD磁光盘记录的是数字信号。

MD机体积小、抗震性能好，随机选曲等操作简便，特别适于配置在汽车立体声音响系统内。MD机主要性能及规格见表4－1。表4－1

MD机主要性能及规格

2.MD机的基本组成

MD机的伺服、控制、显示系统的工作原理以及激光读取数据的过程与CD机基本相同。MD机的信号处理电路也采用EFM调制、里德所罗门（CIRC）纠错编码等技术。此外，MD机还要进行ATRAC编码和解码，实现对音频数字信号的高速率压缩。MD机的电路组成如图4－27所示。图4－27

MD机的电路组成

3.MD机的工作原理

MD机绝大部分电路的工作原理与CD机相同，除此之外，MD机也采取了几项专有技术。

ATRAC编码压缩技术是MD机采用的独特频带压缩技术，ATRAC是AdaptiveTransformAcousticCoding的英文简称，意为自适应变换音频编码压缩技术。

ATRAC编码压缩技术的理论依据是人类听觉的阈值特性和掩蔽特性。听觉阈值特性是指声音必须达到一定的强度才能被听到，而且声音的频率不同，能听到的最低声音的强度大小也不同。研究表明，人耳对3～4kHz频率范围的声音灵敏度最高，而对于低频段和高频段则灵敏度较低。所以，将听觉阈值以下的声音频率滤除，对声音传输质量的影响并不明显。听觉的掩蔽特性是指强信号会掩盖临近的弱信号，包括临近频域的弱信号和临近时域的弱信号。在强信号的掩蔽下，人耳通常听不到这些弱信号的存在。所以，将强信号临近的弱信号舍弃，同样不会显著影响音质。

ATRAC编码压缩技术正是依据人耳上述特性，适当舍弃一些听觉阈值以下的声音信息和强信号临近的弱信号信息，保留容易感知的声音信息，使声音的信息量大大下降，通常可下降为原信息量的1/5～1/6左右，同时保持声音的质量基本不变。

抗震保持技术可以消除由于机械震动使激光头偏离轨迹的现象。MD机设有一个高性能的抗震动缓冲存储器，可以存储约3秒钟时长的音乐数据。MD机使用过程中出现震动，使激光头偏离轨迹，拾取信号被中断，此时可以将缓冲存储器内震动前存储的节目数据取出，替代中断的信号。通常人耳对这种暂时的信号替代不易分辨。抗震动缓冲存储器采用的是1Mb的DRAM。MD机激光头以1.4Mb/s的速率将磁光盘上的信息读出后，先将这些数据存储在DRAM中，然后再将DRAM中的数据以0.3Mb/s的速率读出送解码器进行解码。DRAM中的数据始终处于动态存取状态，由于存的速率大于读的速率，因此DRAM可以持续不断地向解码器提供数据。即使激光头拾取信号暂时中断，只要在3秒内恢复，就不会影响DRAM信号的正常输出，放音也不会中断。双功能激光唱头可以兼容播放CD光盘和MD磁光盘，它是在CD激光头基础上增加可以检测磁光信号的功能部分构成。在记录和播放磁光盘时，激光束照射到磁光盘上，反射回来的激光偏振方向随光盘上磁信号的N/S方向而变化（又称Kerr效应），实现了磁光信号转换。再采用偏振光分光镜，将反射光分配到两个光电探测器，使它们分别对应磁光盘上的1和0两种磁化方向，其接收的光强之差就可构成MD信号。

磁性调制录音技术可在激光抹音的同时进行磁性录音。录音时，较强功率的激光束（约4mW）由旋转光盘下方照射到光盘轨迹上，光盘上的磁性光学介质被加热到居里点温度（180℃）以上，使磁性材料退磁，将原有的磁信号抹去。随着光盘旋转，经激光照射后的磁性光学介质温度下降，MD机的录音系统将数字信号提供给位于光盘上方的录音磁头，MD光盘上的磁性材料又会被磁化，产生了与数字录音信号0和1相对应的N/S磁场，完成MD信号的录制。4.3.2

MP3播放器

1.MP3基本知识

MP3是MPEG1AudioLayer3的简称，是一种高效率计算机音频编码方案。它采用MPEG1压缩标准的第三层编码方案，是一种有损数字音频压缩格式。其存储媒体采用（快闪）Flash存储器，可以方便地进行数据改写，停电后数据又不会丢失。它以较大的压缩比将音频文件转换成较小容量的扩展名为.MP3的文件，基本保持原文件的音质不变。

有损数字音频压缩格式是对数字音频信号采用了对音质有损伤的压缩方式，以便缩小文件容量，满足复制、存储、传输的需要。MP3压缩率可达1∶10～1∶12，1M的MP3文件可播放1分钟，而1分钟CD音质的WAV文件（44100Hz，16bit，双声道，60秒）要占用10M空间；一张650M的MP3光盘播放时间达10小时以上，而同样容量的一张CD盘播放时间只有70分钟左右。在MP3的压缩编码过程中，为了降低声音失真度，采取了感官编