要深入淺出的說明CD數位化唱盤基本理論並不容易,除非你已有數位電路的基礎,否則仍然只是一知半解而已。本文資料係由功學社音響部提供,請讀者多注意雷射拾取系統和圓坑(FRAME)的解說。──編者

一、唱片

  在數位唱片上訊號是以數位的形式刻錄在音軌上,每一塊凹穴(pit)即每一塊平台(land)代表一序列的位元稱為「頻道位元」(channel bits)。在每一次由平台至凹穴或凹穴至平台的轉換就代表一個"1",而兩個"1"之間都是"0",見圖一

  數位唱片上訊號的密度非常高,掃瞄光點的直徑僅1微米(μm),音軌間的寬度僅1.6微米(見圖二)。凹穴的最小長度亦即兩個平台間的最小距離是0.9微米,最大長度3.3微米。透明材料的(T)上方,即壓出凹穴(P)的一方覆蓋著一層反射層(R),反射層上還有一層保護層(Pr)。音軌是由唱片的下方以1.2~1.4公尺/秒(標準是1.25公尺/秒)的速度由雷射唱頭做光學掃描,所以唱片轉動的速度在500rpm到200rpm間(見圖三)

圖三:a:外徑, b~c:固定區域, d:中心孔, e~f:導入區, g(f~h):訊號區,

h:導出區, Pr:保護層, R:反射層, T:透明基底材料(單位均是mm)。

二、訊號處理

  為了將類比訊號轉變成數位訊號,大多採用PCM的方式。PCM的意思是類比訊號依一定的週期取樣,每一次取樣後的結果轉換成二進位的數字。根據Nyquist的取樣理論,取樣的頻率必須比類比訊號中最高的頻率至少高兩倍以上(44.1KHz),每一次取樣結果的位元數決定了在生時的訊號雜音比。目前數位唱片系統對類比訊號的取樣頻率皆是44.1KHz(但在濾波電路中,此頻率會被提升2~4倍),足以再生20KHz的訊號。

  訊號利用均勻量子化的方法組成量子群(圖四c),取樣振幅則等分成兩部份。每一個取樣訊號佔32位元(稱為音頻元),所以左右聲道各16位元(圖四d),因此訊號雜音比為90分貝,所以總位元數=44.1×102×32=1.41×106音頻元/每秒。

圖四:將音頻訊號切成一段一段,如果取樣頻率是40KHz,就表示將一秒鐘長度的訊號給切成4萬段。

  音頻元分成一組組的圓坑,每一圓坑(Frame)包含了6個原始的取樣,相鄰的圓坑之間依據CIRC(Cross-interleane reed-Solomon Code)碼加上一組等價元(parity bit)。藉著這些等價元能消除重播的錯誤,加碼後的位元與原始的位元比為4:3。

  每一個圓坑中都加上了控制/重播位元組(C&D)。控制/重播位元的功用之一是提供聆賞者所需的音訊。加上了控制/重播位元以後的圓坑,總稱為資料元(Data bit)。

圖五:解碼系統中的位元流,訊號分成一個個圓坑,圖中即為一個圓坑。每一個圓坑有6個取樣,每個樣本32位元,左右聲道各16位元。32位元每八個一組組成音頻元組B1。再B2中8個等價元組和一個控制/重播元組加入24個音頻元組,為了將誤差分散,所以B1中不同圓坑的資料交叉安置。因此B2中每一個圓坑的資料包含了B2中不同圓坑的資料。調變器將B1中的8位元組轉換成14位元組,再加上3個合併元,最後再加上27個同步訊號元才成為頻道元。

  接下來資料元在經調變處理成頻道元以便於記錄在唱片上,見圖五,這裡我們採用了EFM(8-14調度碼);EFM碼是將8個一組的位元轉換成14位元,每14個位元再加上三個合併碼(Merge bit),所以調變前後的位元比為8:17。

  為了使訊號元能同步,一組由27個頻道元所組成的同步訊號(synchronization pattern)再加入每一個圓坑,經過一切的處理後總位元率是4.32×106頻道元/秒。

  表一是整個處理過程的摘要,包括處裡後的位元率及名稱。從頻道元率及1.25m/S的掃描速度可以算出每一個頻道元在唱片上的長度約0.3微米。

  唱片工廠利用這些訊號來控制照在轉動的玻璃盤(主盤)上感光膜的雷射光束,凹穴的鑄型則利用顯像過程刻在唱片上。唱片鍍上一層薄薄的銀以後再經過電鍍製出金屬公模(father),由公模再壓製母盤,再從母盤製出壓模,壓模才在唱片上的透明基底層上押出凹穴,如圖一所示。

三、訊號讀取

  唱片在唱盤中以鋁鎵鉮半導體雷射掃描,圖六是光學唱頭。雷射發出的光束(波長800×10-9m)經光束分割菱鏡(Beam splitter prism)經唱片反射層上的凸透鏡聚焦,光點的直徑約為1微米。如果光點落在凹穴間的地帶,光束幾乎完全反射回D1至D4的光電二極體。如果光束落在凹穴裡,由於透明基層內凹穴的深度約為波長的1/4,干涉的作用使反射回光電二極體的光量大量的減少。將由四個光電二極體輸出的訊號加在一起以後,就能獲得與唱片上凹穴及平台幾乎相同的矩形波。

  圖六中的光學唱頭非常小,利用馬達的驅動在唱片上沿著半徑方向移動,拾取螺旋狀紋路中的訊號。光學唱頭內的透鏡組裝在由線圈和永久磁鐵組成的線性馬達上,當線圈接受訊號時能將唱頭移到任何一個音軌;訊號的位置則由每一個圓坑中的控制/重播元來決定,所以唱頭能隨使用者的意思獨立的找到任何一段音樂。

  找到了正確的位置後,唱頭必須不受到前後音軌的影響正確的循著音軌移動(誤差必須在±0.1微米內)由於唱片上的音軌可能稍有偏心的現象,也由於唱盤的懸掛裝置不夠理想,最大循軌誤差可能高達30微米。所以唱頭要有一組循軌伺服系統,保證唱頭的循軌誤差在±0.1微米以內,並且能吸收唱盤的少量振動。

  圖六中S位置焦點的深度約為4微米,由於各種機械性的影響唱片的軸向誤差,最大也有1毫米,所以另外還要一組伺服系統來維持焦點的位置,因此凸透鏡受到另一組由線圈和永久磁鐵組成的裝置在光軸上移動。

四、音頻訊號的再生

  經由光學唱頭從唱片上拾取的訊要必須重新組合成類比訊號。圖七是唱盤中訊號處理的方塊圖,時基器(decoder)的訊號有錯誤的話,這個錯誤在譯碼的過程中會分散到許多圓坑內,因此在每一個圓坑裡內必須修正的錯誤不會太多。刮痕通常會產生一連串的錯誤訊號,稱為錯誤群(error burst),譯碼器中所使用的錯誤修正線路能修正高達4000資料元的錯誤群,主要就是因為錯誤會分散開。

  如果錯誤超過了最大的限度,那麼錯誤只能偵測而不能修正。在錯誤改正和減弱的部份(Error Concealment and Muting),這些錯誤被遮蔽(mask),如果一個樣本的值有錯,則新的值是由前、後兩個值經內插法求出。如果超過兩個以上的樣本值連續出錯,則以原先的值來代替。

五、視覺圖形

  資料頻道的品質可以視覺圖形(eye pattern)得知,這是將高頻放大的輸出接到示波器上。如圖八的a,螢幕上所顯示的是由不同的凹穴或平台發出的訊號重疊的結果,圖形的邊角都幾乎成圓形,主要是因為雷射光點的直徑不為零而凹穴的壁並非垂直。只要傳送的訊號足夠的話,在圖中就可以看出訊號的正負(圖八c示波器與解碼器的時基同步)而組成位元流。虛線周圍的菱形圖案即為視覺(eye),因為如果頻道不理想,視覺就會模糊不清。如果訊號與時基訊號稍有差別的話,視覺會變窄,噪音則會減少它的高度。圖八中的a與c為理想的情況,而b是聚焦不良的結果。

六、EFM調變

  圖五是解碼系統的「位元流」的圖示,每一個圓坑有6個樣本,每一個樣本為32位元,左右頻道各16位元。32位元再分成8位元一組,於是位元流B1的每一圓坑為24組音頻元。在B2中再加上8組的等價元和一個控制/重播元組,總共就有33位元組,即為資料元組(data symbols)。調變器再把每一位元組轉變成14位元的新資料,再加上3個合併元(merging bit),最後再加上27位元的同步資料到Bi上,於是Bi包含33×17+27=588位元/每圓坑,Bi再轉換成雷射「寫」的控制訊號,Bi中的1並不是代表凹穴或平台,而是凹穴的邊緣。所以對解碼系統來說,把唱片上的凹穴或平台互換毫無差別。

  再EFM調變中資料元是每8個一組轉換成14個頻道元,頻道元得個數介於3(Tmin)到11(Tmax)之間(亦即最少2個,最多10個連續的0)。這樣做的原因是以2:1的比例的話,8個資料元組成16個頻道元。但是位了更節省空間,簡單的計算可以證明在Tmin=3、Tmax=11個頻道元的條件下,14個頻道元足以產生8個資料元的256種可能組合。Tmax 的選擇是基於數目大並不會使問題簡化,太少也會產生問題。

  合併原主要是為了使位元組在合併後還能保證運行時間的條件(run-length condition),如果運行時間可能太短,三個合併碼都訂為"0",如果運行時間太長,則其中一個合併碼定為"1"。這樣做設定合併碼的方法多了一點,所以我們只使用兩個合併碼來表示運行時間的條件;第三個合併碼則用來減少訊號中低頻的內容,當然這樣做使訊號密度減少6%。合併碼不包含音頻訊號的資料,所以在解調器demodulator中會從位元流中去掉。

七、消減殘餘的錯誤

  錯誤減弱(error concealment)的目的,是使能偵錯出但無法以CIRC碼修正的錯誤聽不到(數位唱片系統中採用CIRC碼)。根據被減弱訊號的強度,有內插法和保留原值法。

  兩個連續的8位元組在經過解碼器以後組成16位元組值。由於每一位元值在經過偵測系統後都帶有旗標(flag),減弱系統能藉著其標瞭解資料是否可靠。可靠的資料不再處裡;不可靠的資料則以兩個相鄰可靠資料代入內插法求出新值取代。尖銳的卡搭聲於是避免了,代價是在短時間內的失真增加。如果訊號是錯、對相間,由於內插的關係,頻寬減半(10KHz)。如果一連串的訊號都有錯誤的時候,就無法使用內插法以保留原來的正確訊號。

八、控制與重播

  控制及重播元組共有98組,每一組圓坑中有一個8位元的控制/重播元組。包括P、Q、R、S、T、U、V、W8個位元。目前僅P、Q固定使用。

P頻道:是否為音樂

            P=0,音樂。

            P=1,音樂間隔。

Q頻道:

控制元(4位元):音訊頻道(2,或4)及預先補償(是、否)pre-emphasis

            1.)音樂訊號未經事先補償

                  2─頻道 0000

                  4─頻道 1000

            2.)音樂訊號經事先補償

                  2─頻道 0001

                  4─頻道 1001

             補償:pre-emphasis

                       T1=50微秒,f1=3.18KHz

                       T2=15微秒,f2=10.6KHz

九、焦點伺服控制

1.光學唱頭:

  6個光電二極體組成三點式光電唱頭,由A~F,ABC在中間,(A+C)、(B+D)則利用主光束作焦點探測及訊號拾取,E、F則利用副光束做循跡探測,參考圖九

2.焦點探測

  參考圖十,由唱盤反射的雷射光經過光束分割器成90°偏極化後,經圓柱透鏡送至光電二極體,通過圓柱透鏡的光束沿著前進的方向改變形狀,原先是垂直方向上的橢圓逐漸變成圓形,再轉變成水平方向的橢圓。

  光束的形狀隨著和唱片間的距離而變,而完全聚焦的感應裝置則放在圖十中圓型光束的中央位置。感應裝置由4個二極體所組成,在焦點正確的時候,四個二極體都有輸出。如果唱頭太近了,橢圓形的光束使上下兩個二極體才有輸出,反之則左右才有。所以藉著四個光電二極體輸出間的差就能知道聚焦是否正確;誤差訊號放大後,送入物鏡的控制部份來調整物鏡的位置。

轉載音響技術第102期JUN. 1984 CD數位音響的基本理論/劉保民 譯/

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