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1、第8章 数字音响设备,8.1 数字音响基础 8.2 激光唱片和唱机 8.3 录放式小型激光唱片和唱机 8.4 数字盒式录音机 思考题与习题,8.1 数字音响基础,8.1.1 数字音响的基本原理 为了将连续的模拟信号变换成离散的数字信号,虽有多种方法,但在数字音响中普遍采用的是脉冲编码调制方式,即所谓PCM(Pulse Code Modulation)。PCM方式是法国人 A.H.里福斯于1937 年发明的,早已广泛应用于通信之中。随着半导体技术的进步,特别是发展到超大规模集成电路阶段后,PCM方式应用于音响领域,并进入家庭成为现实。,1.数字音响设备的基本组成 PCM方式是由取样,量化和编码三
2、个基本环节完成的。以PCM为基本技术的数字音响设备的原理方框图如图 8-1所示。,图 8-1 数字音响设备的原理方框图,2.数字音响设备的工作原理 PCM方式数字音响设备的工作原理,可用图 8-2所示的波形图来说明。,图8 2 PCM录放音过程波形图,(1)取样 对振幅随时间连续变化的信号波形按一定的时间间隔取出样值,形成在时间上不连续的脉冲序列,称之为取样,如图 8-2(b)所示。这个时间间隔称为取样周期,记为Ts,相应的取样频率fs=1/Ts。,(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层次,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,称之为量化,如图 8-2(c
3、)所示。(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。在数字音响中,通常采用16位(bit)数码表示一个量值,即量化位数n=16。,(4)纠错编码 由于激光唱片和盒式磁带在制作和使用过程中会发生超过容许范围的损伤,使所读出的数字信号与原来所记录的信号有所差别,因此,必须采取纠正错码的措施。图 8-2(e)中示意的是一种最简单的纠错编码方式,即奇偶校验码。它在PCM编码的基础上加入适当的表示1或0 的脉冲,使各量化值所对应的 1 或 0 的脉冲数均为偶数。在重放时,经解调和整形而获得的脉冲序列如图 8-2(f)所示,通过奇偶校验方法找出其中(1101)属错码,再设法用其前后的
4、两个量化值的平均值进行补正,实现纠错。在数字音响中,通常采用里德所罗门(CIRC)纠错编码方式,它将集中的错码利用交叉插置方式变换成分散出现的错码,以提高对错码的辨认和补偿能力。,(5)调制 模拟音频信号经取样,量化,编码和CIRC纠错编码后形成的数字信号,还不宜直接记录在唱片或磁带上。因为在数据流中可能会出现 16 位全部为 0 或 1 的情况,从唱片或磁带上读取时会使信号极不稳定,也会造成伺服系统的不稳定。,EFM(Eight to Fourteen Modulation)调制是指把纠错编码器送来的每16 位数据分成两个字符,每个字符有 8 位数据,再将 8 位变换成 14 位的数据单元,
5、作为记录媒介的记录数据,如图 8-3 所示。,图 8-3 EFM调制与凹坑长度,(6)帧结构 数字信号是以字符为单位的,若偏移 1 位,就会使该字符代表的信号电平发生变化。为此,必须把记录信号分割成很小的字组,并设法判断出各字组之间的分界线,这样的字组称为帧。,8.1.2 数字音响的主要性能 数字音响设备的主要性能指标包括有效频率范围,动态范围,信噪比,失真度,声道分离度,传码率等,其中有些指标可从取样频率和量化位数等参数值分析得到。1.有效频率范围的上限频率fm 因为CD唱片的取样频率fs=44.1 kHz,所以允许音频信号上限频率fmfs/2=22.05 kHz,这就是有效频率范围的极限上
6、限频率。,2.信噪比(S/N)和动态范围 理论分析表明,由量化噪声决定的信噪比可用下式计算:(S/N)=6n+1.756n(dB)(8-1)式中n为量化位数,在CD唱片中,n=16,所以(S/N)96(dB)。在线性量化情况下,上式也就是数字音响设备的动态范围。,3.传码率R 数字音响系统每秒钟所传送的码数称为传码率,可用下式计算:R=mnfs(位/s)(8-2)式中m为声道数,对于双声道立体声系统,m=2,因为CD唱片的n=16,fs=44.1 kHz,故 R1.411 2 兆位/s。CD唱片还要经过EFM调制,其实际传码率为4.321 8 兆位/s。,4.CD唱机与电唱机的性能比较 采用数
7、字音响技术的CD唱机,MD唱机和DCC录音机的性能明显优于电唱机,这个结论可从表 8-1,表 8-2和表 8-3中看出。,表 8 1 CD唱机和电唱机的性能比较,表 8 2 MD的主要性能及规格,表 8 3 DCC的主要性能参数,8.1.3 数字音响的主要特点 1.信噪比高 数字音响记录形式是二进制码,重放时只需判断“0”或“1”。因此,记录媒介的噪声对重放信号的信噪比几乎没有影响。而模拟音响记录形式是连续的声音信号,在录放过程中会受到诸如磁带噪声的影响,要叠加在声音信号上而使音质变差。尽管在模拟音响中采取了降噪措施,但无法从根本上加以消除。,2.失真度低 在模拟音响录放过程中,磁头的非线性会
8、引入失真,为此须采取交流偏磁录音等措施,但失真仍然存在。而在数字音响中,磁头只工作在磁饱和及无磁两种状态,表示 1 和 0,对磁头没有线性要求。3.重复性好 数字音响设备经多次复印和重放,声音质量不会劣化。传统的模拟盒式磁带录音,每复录一次,磁带所录的噪声都要增加,致使每次复录要降低信噪比约 3 dB,子带不如母带,孙带不如子带,音质逐次劣化。,4.抖晃率小 数字音响重放系统由于时基校正电路作用,旋转系统,驱动系统的不稳不会引起抖晃,因而不必要求像模拟记录中那样的精密机械系统。5.适应性强 数字音响所记录的是二进制码,各种处理都可作为数值运算来进行,并可不改变硬件,仅用软件操作,便于微机控制,
9、故适应性强。,6.便于集成 由于数字化,因而便于采用超大规模集成电路,并使整机调试方便,性能稳定,可靠性高,便于大批量生产,可以降低成本。,8.2 激光唱片和唱机,8.2.1 激光唱片 1.激光唱片的结构 CD唱片的直径为 120 mm,只有立体声密纹唱片的 1/3 左右,厚 1.2 mm。外观银光闪闪,小巧美观,其基本结构如图 8-4(a)所示。,CD唱片的基底材料是高度透明清晰的聚氯乙烯塑料,在其上压印有信号面。信号面由从内向外螺旋状分布的间距为 1.6 m的约 20 万条信道所组成,信道由一系列的凹坑和平台组成,每个凹坑宽 0.50.6 m,深 0.110.12 m,凹坑和平台的最小长度
10、是 0.9 m,最大长度为 3.3 m,如图 8-4(b)所示。每一次由平台至凹坑或由凹坑至平台的转换都代表“1”,而两个“1”之间都是“0”,见图 8-4(c)。,图 8-4 激光唱片的结构,2.激光唱片的录制 在CD唱片工厂中,音频信号经过PCM编码,纠错编码,调制,并形成帧结构信道位流,去控制激光束照射涂有光致抗蚀剂的玻璃母盘,经蚀刻形成由一系列的凹坑和平台所组成的信道,然后镀上银膜制成母盘。由此母盘用镀镍法再制作一金属负片(父片),用此负片再转制一块正片(母片),然后以此正片制造一子片,用子片作压模即可印制出一批CD唱片。,8.2.2 激光唱机的组成 激光唱机方框图如 8-5所示。从图
11、中可以看出，CD唱机可以划分成以下几个部分。,图 8-5 激光唱机方框图,1.激光拾音器 激光拾音器的作用是拾取信号,它由激光二极管发出一束激光,并经唱片反射回来,被光导管变换成脉冲状的电信号,供电路部分解调,恢复出原来的音频信号。2.机械传动装置及伺服控制机构 机械传动装置及伺服控制机构的作用是保证激光唱片以恒定的线速度通过激光拾音器,以便于激光拾音器能在相同时间内正确地获得相同数量的信息,并且要保证激光拾音器能准确聚焦于唱片的音迹凹凸坑内和行走在激光唱片的音迹中。,3.解码,纠错及D/A变换电路 该部分电路对激光拾音器拾取的电信号进行EFM解调,并经纠错电路后,由D/A变换器转换成模拟音频
12、信号,供功率放大器放大后推动扬声器系统发声。4.微电脑,操作键盘和石英振荡器 这部分电路是为使用者能方便灵活地播放唱片而设计的,通过该部分的操作,可以顺序,重复和有选择地聆听曲子,也可实现停止,记忆或快进等功能,它取决于操作键盘的人工指令。另外,还可实现同步控制。,8.2.3 激光拾音器的工作原理 激光拾音器的功能是利用激光束从CD唱片上读取数字音频信号。激光拾音器的光学原理如图 8-6所示。,图 8-6 激光拾音器原理,激光两次通过 1/4 波长板时,使反射光与入射光形成 90相位差,光束分离器根据 90相位差提取反射光信号,这是激光拾音的关键环节。其拾音原理可用图 8-7 进一步说明。如果
13、激光束照射到CD唱片信号面的平台处,如图 8-7(a)所示,那么,入射信,图 8-7 激光唱片重放原理,8.2.4 激光唱机的伺服机构 在CD唱机中,照射光点可能出现垂直于唱片表面方向的聚焦误差和沿唱片半径方向的纹迹跟踪误差。为了保证高质量重放,必须把光点的上述偏差限制在容许范围内。通常都要采用聚焦伺服和跟踪伺服系统。,1.聚焦伺服 聚焦伺服是指根据反射光的状态检出聚焦误差信号,从而把对物透镜驱动到光轴方向。聚焦驱动机构采用微电机带动对物透镜上下移动的聚焦方式。聚焦误差信号检出的方法很多,具有代表性的是临界角棱镜法。,图 8-8是临界角棱镜法的原理图,从图中可见,当唱片与对物透镜的距离合适,即
14、唱片焦点吻合时,从唱片信号面反射来的光是平行光,此反射光进入临界角棱镜后全部折射,所以双分割光导二极管A与B有相同的光通量进入,误差信号A-B为零,聚焦驱动机构不动作,对物透镜的位置不变,见图 8-8(a)。,当唱片过于接近对物透镜时,见图 8-8(b),经唱片反射回来的光变成发散光,经临界角棱镜后,光导二极管B接受的光通量减少,于是误差信号A-B为正值,驱动对物透镜远离唱片。当唱片过于远离对物透镜时,见图 8-8(c),反射光形成聚合光,光导二极管A接受光通量减少,误差信号A-B为负值,使得对物透镜靠近唱片。,图 8-8 临界角棱镜法,2.跟踪伺服 跟踪伺服系统又叫径向跟踪伺服系统,它是驱使
15、激光拾音器沿着唱片的半径方向移动的伺服机构,其作用是保证即使唱片的音迹有些偏心仍能使激光束照射到正确的音迹上,另外在非顺序播放唱片时,使拾音器能快速地找到播放的起始位置。跟踪伺服机构普遍采用滑动控制型,见图 8-9。,图 8-9 跟踪伺服系统,跟踪误差信号多用推挽法取出,如图 8-10所示。它是利用照射光点的位置偏差产生光折射的一种方法。从图 8-10可见,两个光导二极管分立于透镜中心线两旁(A和B),其输出加至比较器。当激光束的光点正确照射于凹坑的位置时,左右可获得相等的反射光强度,A和B的输出相等,比较器中A-B=0,这些凹坑与光束的位置一致,所以误差信号为零。如果如图 8-11中(2),
16、(3)凹坑和光束的位置有偏离的话,则左右反射光强度不一样,以致A和B输出电压不一样,比较器有正或负的电压输出,即有跟踪误差信号输出。,图 8-10 推挽法的构成,图 8 11 跟踪误差信号的检出,8.2.5 激光唱机的主电路分析 当今市场上CD唱机的型号很多,但从技术角度看不外乎两大系列,一是荷兰菲利浦为主的单光束型,二是日本索尼公司为主的三光束型。这两大系列各有自己的特点。我国首选索尼公司的三光束系统,所以本节只介绍三光束型的电路。,1.激光唱机的主电路 以XH-CDMBI为例,激光唱机的主电路如图 8-12所示,它包括以下几部分:(1)RF前置放大电路 其主要功能是放大来自激光拾音器的光电
17、信号,向后级提供两路信号,一路为声音信号(EFM调制信号),送至数字信号处理器,另一路为聚焦伺服和径向循迹跟踪伺服的误差信号,送至伺服信号处理器。,图 8-12 激光唱机的主电路,2)伺服信号处理器 这部分电路执行聚焦伺服和径向循迹跟踪伺服,以及主轴电机伺服驱动。(3)数字信号处理器 这部分电路的主要功能是对RF前置放大器送来的信号进行整形,EFM解码,纠错等,然后送到D/A转换器。数字信号处理器也称解码器,它由一块超大规模集成电路构成,是激光唱机中最复杂的集成电路。,(4)D/A变换器 这部分电路对经过数字信号处理后的PCM编码信号进行数模变换,输出一个双声道模拟音频信号。(5)低通滤波 这
18、部分电路用于对D/A变换输出的模拟信号进行滤波,输出一个020 kHz的音频信号。(6)电源 电源提供上述各部分电路稳定的直流电能。(7)单片机 CPU系统负责控制和协调上述各部分电路的工作,并且处理面板输入控制信息及遥控输入信息。,2.RF前置放大器 CXA1081是一个配合三光束拾音器的RF前置信号处理集成电路,其主要功能是:RF放大,聚焦误差放大,跟踪误差放大,激光二极管的自动功率控制,自动不对称控制,聚焦正常检测,镜像检测及缺陷检测等。,图 8-13 CXA1081原理图,当激光唱机开始工作时,由单片机控制激光二极管发出波长为 780 nm的半导体激光,单片机同时发出指令,指挥CXA1
19、082 的聚焦伺服控制电路开始工作,驱动聚焦线圈,产生聚焦动作。在RF信号处理过程中,要把由四个光敏管A、B、C、D所拾取的RF信号加以放大,并完成从RF信号到EFM数码信号的处理。图 8-13表示了主信号通路的各个基本单元的电路。,循迹信号处理分成两部分。一部分是循迹跟踪伺服误差信号的检测和放大,由激光拾音器中E,F位置指示光敏二极管拾取的信号通过各自的电流/电压转换器,分别进入跟踪误差放大器的正,负输入端,从而输出循迹跟踪的误差信号供CXA1082的跟踪伺服控制；另一部分是为跳跃循迹伺服中实时控制所需的镜像信号(MIRROR)的生成与处理。由于激光发射管在恒流驱动下的光学输出具有负温度特性
20、,CXA1081 电路设计了一个借助于监控光敏二极管而构成的自动功率控制电路,如图 8-14 所示。,图 8-14 自动功率控制电路,3.伺服信号处理器 CXA1082是一个双极型IC,如图 8-15 所示,用于激光唱机的伺服控制,其功能有:拾音器聚焦伺服控制,拾音器跟踪伺服控制,拾音器进给伺服控制,主轴转动伺服低通滤波器驱动放大器,EFM时钟再生锁相环回路滤波器及自动定序器等。,图 8 15 CXA1082原理图,4.数字信号处理器 CXD1130是用于激光唱机的数字信号处理器,如图 8-16 所示。它的具体功能是:重现EFM-PLL的位时钟信号,EFM数据解调,帧同步信号检测保护和插入,有
21、效的误码检测和修正,利用平均值和前值保持来补偿误码,数字滤波等。,图 8-16 CXD1130原理图,5.D/A变换器 CXD1140是 13 位两倍过采样D/A变换器,它的具体功能是:双倍过采样,双通道模拟输出及系统时钟输出等。,8.3 录放式小型激光唱片和唱机,1.MD唱机的组成 MD唱机的组成方框图如图 8-17所示。它与CD唱机的区别是:采用非线性的自适应变换声学编码ATRAC代替CD的线性编码,采用了防震缓冲存贮器,采用了改进型里德所罗门纠错编码(ACRIT),采用了磁场调制重写技术,采用了双功能激光拾音器等。这些新技术使MD成为可录可放便携式的数字音响设备。,图 8-17 MD唱机
22、的组成,2.ATRAC编码技术 自适应变换声学编码ATRAC(Adaptive Transform Acoustic Coding)是MD的关键技术。这是一种高效率压缩编码方式,采用ATRAC编码技术可将其数字信号频带压缩到PCM编码的1/5左右,即可将 1.4 Mb/s压缩为 0.3 Mb/s。,整个音频频带分成了三段,52 个不均匀子带。然后在MDCT改良离散余弦变换中将三个频段的时域信号变成频谱信号,再经位数分配,压缩,变为每个声道 212 个字节(每个字节 8 位)。编解码流程图如图 8-18所示。,图 8-18 ATRAC编,解码器的流程图,3.防震缓冲存贮器 震动或受到冲击时,通常
23、的激光拾音器很容易偏离唱片上的音迹而产生跳音或中断。MD使用的半导体存储器能使抗震性能获得改善。它接在EFM,ACIRC译码器与ATRAC译码器之间,作为数据缓冲之用,故又称为防震缓冲存贮器,如图 8-19所示。,图 8-19 防震缓冲存贮器的工作原理,4.磁场调制重写技术 MD可抹可录功能是采用磁场调制重写技术实现的,借用变化的磁场实现将新的数字信号写入到旧磁迹中去。MD采用一种高效低耗记录磁头,这种磁头解决了高速和磁体发热等问题。5.双功能激光拾音器 MD使用了两种唱片,因此需要一个双功能的激光拾音器,既能读出预录式MD上的信息,又能读出可录式MD上所记录的信息。读预录式MD的工作原理及其
24、读出方法与CD唱片相类似。,8.4 数字盒式录音机,1.高质量的数字式录放音及其兼容性 由于DCC采用高效压缩编码技术和薄膜固定磁头,使得可以在和原来的模拟盒式磁带ACC同样尺寸的磁带上,用数字方式进行高质量的录音和放音,其技术指标接近CD唱机。另外DCC 除能录放数字盒式磁带外,还可以播放模拟盒式磁带,实现了兼容性。在数字式录放音过程中又消除了ACC的高频噪声和抖晃等缺陷。,2.灵活方便的操作性 DCC具有文字显示模式,在重放数字式磁带时能在显示屏上显示磁带的歌曲目录,曲号,曲词作者介绍及歌词等信息。另外还有随机选曲播放等类似CD机的各种方便的操作。DCC是基于下述几项技术,才具备有如此优良
25、的品质,并将逐渐取代ACC,成为新一代的数字音响设备。,8.4.1 PASC编码技术 PASC(Preciston Adaptive Subband Coding),即精密自适应子带编码,是DCC所采用的一种高效压缩编码技术,其传码速率为 384 kb/s,约相当于CD唱机的1/4。若按声音信号编码方式分类,PASC编码属于以帧为单位的时域波形处理方式。,1.PASC信号处理 图 8-20是信号记录过程中PASC编码工作的方框图,音频信号经取样和量化处理,变换为数字音频信号,送入PASC编码器。PASC编码过程主要分为3 个步骤:,图 8-20 PASC编码器工作方框图(记录时),第一步:将全
26、频带数字音频信号分成 32 个子带。模拟音频信号量化后输入到PASC入口处,这种数字音频信号应符合IEC 958 关于数字音频接口标准规定的格式。PASC编码首先将这种全频带数字音频信号用FIR型的数字带通滤波器分解成 32 个子频带(简称子带)。其数字表达式如下:设输入矢量为R,变换矩阵为C,则分成子带后的矢量为S,S=CR(8-3),或,(8-4),式中R031,则运算次数为 51232。S矢量的 32 个数据按照一定的顺序排列,形成32 个子带信号。,第二步:压缩编码处理。PASC是一种根据人耳听觉特性进行压缩的高效宽带音频编码方式。编码处理过程如下:(1)以各子带中的 12 个数据为一
27、个单元,在这个单元中找出最大的值称该最大值为比例因子,并用 6 位量化。(2)计算当前各子带中的信号能量,以确定各子带的量化位数。,第三步:编成PASC格式。经前述步骤,确定了各子带的最大值及量化位数后,就可将这些数据及取样数据编成PASC规定的格式。这些数据包括子带号码,该子带的量化位数,左,右声道的指示符,同步信号等。,8.4.2 薄膜磁头 DCC所采用的是 3.8 mm带宽的磁带,也是分成两面(即A面和B面),与ACC不同的是每面都有 9 条磁迹,其中主信号占 8 条轨迹,辅助信号占 1 条轨迹,这样,DCC 的轨迹节距只有 195 m,而ACC约为 600 m。8.4.3 纠错 DCC采用的是C1和C2双重里德所罗门纠错编码方式,有较强的纠错能力。,思考题与习题,8.1 激光唱机与传统唱机比较具有哪些主要优点?8.2 为什么激光唱片要采用EFM调制?8.3 简述激光唱机拾音头的工作原理。8.4 激光唱机中跟踪伺服的主要作用是什么?,8.5 MD的主要性能和规格与CD性能和规格有哪些相同与不同之处?8.6 DCC的主要特征是什么?8.7 PASC编码是根据什么原则来删除听不到的冗余信息?它的物理机理是什么?,
