Аналоговая информация (речь, музыка и т.п.) записывается на компакт-диск не непосредственно, а после сложной обработки. Вначале непрерывный сигнал переводится в цифровую форму, то есть происходит аналого-цифровое преобразование сигнала (рис. 4.15 этом используются две операции. Первая - дискретизация - предполагает замену записываемого аналогового колебания Sa(t) (рис. 4.15а) его отсчетами Soтсч(t) (рис. 4.15б), взятыми за очень короткое время и следующими друг за другом со стандартной частотой Fд= 44,1 кГц. Данная величина выбрана не случайно. В соответствии с теоремой Котельникова (или теоремой Шеннона), известной из курса радиоэлектроники, для обратимого преобразования «непрерывный сигнал - отсчетный сигнал» частота дискретизации Fд должна быть больше удвоенной верхней частоты спектра аналогового колебания. Поэтому для аудиосигналов с частотным диапазоном 20 Гц - 20 кГц, применяемых в технике класса Hi-Fi, частота дискретизации выбирается из условия Fд > 40 кГц, которому как раз и удовлетворяет стандартное значение 44,1 кГц.
|
|
Вторая операция - квантование, то есть замена мгновенных значений напряжения отсчетов на ближайшие значения из разрешенной сетки квантования Sц(t) (рис. 4.15в). Уровни квантования отличаются на величину шага Д, каждый из них соответствует определенному коду, записываемому последовательностью нулей и единиц (двоичный код). В результате такой обработки входному аналоговому сигналу ставится в соответствие последовательность цифровых кодов.
Рис. 4.15. Последовательность операций при аналого-цифровом преобразовании сигнала
Точность цифрового представления и динамический диапазон обрабатываемых сигналов зависят от правильности выбранных параметров. Уменьшение величины кванта Д повышает точность преобразования, но соответственно возрастает и количество возможных уровней в сетке квантования, что напрямую связано с разрядностью N аналого- цифрового преобразователя (АЦП), то есть количеством разрядов (нулей и единиц) кода. Из-за трудностей технического выполнения элементов данный параметр обычно ограничен. Кроме того, бесконечное увеличение разрядности не приводит к постоянному росту качества воспроизведения аудиосигналов. Считается, что достаточное количество разрядов АЦП для высококачественной записи и последующего воспроизведения аудиосигналов - 14. На практике используется величина N = 16. При этом точность преобразования 5 и динамический диапазон D обрабатываемого сигнала можно определить по формулам:
Конечная разрядность представления отсчетов непрерывного сигнала в любом случае приводит к некоторому его искажению, которое выражается в так называемом шуме квантования, несколько ухудшающем общее отношение сигнал/шум. Таким образом, на выходе АЦП имеется последовательность появляющихся с частотой 44,1 кГц 16-разрядных двоичных кодов отсчетов аудиосигнала. Для таких кодов используется термин «слово». Слово может быть разложено на две 8-разрядные половины: старший (С) и младший (М) байт или символ. При записи стереофонического аудиосигнала отсчеты левого (Л) и правого (П) каналов оцифровываются по очереди, то есть за словом левого канала следует слово правого, затем опять левого и т.д. (рис. 4.16)Тогда частота следования отсчетов удваивается и становится равной 88,2 кГц. Такой порядок преобразования позволяет обеспечить очень высокую степень разделения стереоканалов проигрывателей компакт-дисков - более 90 дБ.
|
|
Рис. 4.16. Формирование цифрового потока данных из аналогово сигнала
Чтобы при воспроизведении можно было однозначно восстановить поток информационных данных, слова компонуются в блоки, называемые кадрами. В каждом кадре по 12 слов: 6 - для левого канала и 6 - для правого. Частота следования кадров составляет величину FK = 88,2/12 = 7,35 кГц.
По различным причинам, связанным с эксплуатацией компакт-дисков, при считывании возможны ошибки. Для их обнаружения и исправления цифровую информацию подвергают специальному кодированию. Каждое слово данных разделяется на два символа, далее символы перемежаются. Под перемежением понимается перестановка в определенном порядке участков цифрового сигнала, в результате которой он оказывается «разбросанным» по разным местам информационной дорожки компакт-диска. Это снижает вероятность поражения большого фрагмента фонограммы возникшим в одном месте дефектом воспроизведения. В процессе воспроизведения должна быть предусмотрена процедура деперемежения, то есть «обратного сращивания» разбросанных символов.
Следующая операция - кодирование с применением метода перекрестного контроля избыточности (CIRC-кодер или кодер Рида-Соломона). В результате в поток данных вводится дополнительная информация (четыре проверочных символа), с помощью которой затем по специальному алгоритму можно обнаружить несоответствия, возникшие из-за ошибок, и исправить их.
Для повышения эффективности защиты информации используют три переме- жения и два CIRC-кодирования. После добавления проверочных символов длина кадра увеличивается до 32 символов.
Далее к каждому кадру данных, несущему аудиоинформацию, прибавляется символ управляющей информации, называемый субкодом. Субкод содержит служебные сведения. В зависимости от структуры служебной информации различают восемь разрядов (каналов) субкода; например, Р-канал отвечает за опознавание начала и конца фонограмм, Q-канал содержит данные о номере музыкального фрагмента, продолжительности записи и ряде других параметров. Последовательность служебных символов также делится на блоки, частота следования которых в 98 раз ниже частоты информационных кадров и составляет FБЛ = 75 Гц. Структура получаемого таким образом информационного кадра показана на рис. 4.17.
Последний этап обработки сигнала при записи - преобразование 8-разрядных кодов в 14-разрядные канальные коды или EFM модуляция (eight-to-fourteen modulation). Одна из задач такого канального кодирования состоит в устранении длинных последовательностей нулей или единиц в потоке двоичной информации, которые могут привести к сбоям синхронизации и ошибкам при декодировании. При этом общее количество нулей и единиц в потоке становится приблизительно которой связан через усилители схемы управления с электродвигателем привода компакт-диска.
Субкод | 12 символов данных левого и правого канала | 4 проверочных символа | 12 символов донных левого и правого канала | 4 проверочных символа |
Рис. 4.17. Структура информационного кадра
|
|
Информационный сигнал, в свою очередь, проходит стадию EFM демодуляции и далее разделяется на поток, содержащий аудиоинформацию, и поток, содержащий информацию субкода. Алгоритмы их последующей обработки подробно будут рассмотрены в разделе 4.4.1. Здесь отметим лишь, что при воспроизведении осуществляются операции, обратные процедурам, которым подвергались сигналы при записи. Стереосигналы, сформированные в результате такой обработки, для дальнейшего усиления и регулировки поступают в низкочастотный тракт аудиосистемы. Сигналы, получаемые в результате декодирования субкода, используются контроллером управления проигрывателя компакт-дисков, который связан с внешними устройствами управления (клавиатурой, системным контроллером и т.п.).
Система загрузки служит для установки компакт-дисков в механизм воспроизведения. В самых простых моделях диск вставляется вручную. Принципы построения системы загрузки компакт-дисков различны; все зависит от места установки проигрывателя, способа открывания дископриемника, количества одновременно устанавливаемых дисков и т.п. В любом случае имеется электродвигатель загрузки со схемой управления, перемещающий дископриемник (поворотный столик или крышку дископриемника). Схема управления получает информационные сигналы от контроллера проигрывателя. В моделях, где возможна установка нескольких дисков одновременно (пакетом или магазином), дополнительно присутствует лифтовый механизм. С помощью электродвигателя он перемещает дископриемник в вертикальной плоскости для выбора заданного диска из пакета. Для этого в схеме предусмотрен соответствующий датчик и счетчик компакт-дисков.