Основные принципы оптической цифровой записи и воспроизведения изображения и звука

Оптическая запись — это регистрация данных остро-сфокусированным лучом лазера на светочувствительном носителе. Результат воздействия лазерного луча на носитель, т.е. вид сигналограммы, может быть различным, в подавляющем большинстве случаев сигналограмма приобретает вид последовательности деформированных и недеформированных участков дорожки на рабочем слое диска.

Лазер — основной инструмент оптической записи, генерирующий излучение. Он содержит активное вещество и систему возбуждения и управления излучением. Для генерации излучения активное вещество лазера должно быть возбуждено. При возбуждении в активном веществе происходит рекомбинация носителей электрических зарядов, сопровождающаяся выделением энергии. Последняя выделяется в виде квантов света — возникает вынужденное излучение лазера. Оно имеет ряд особенностей по сравнению с излучением обычных тел накала: излучение лазера когерентно, т.е. определенным образом упорядочено, линейно поляризовано и распространяется в одном или преимущественно в одном направлении, а не во все стороны, как, например, излучение поверхности раскаленного металла.

Кроме того, излучение лазера монохроматично, т.е. лазером генерируется свет с одним значением длины волны. Эти особенности позволяют получать очень острую фокусировку излучения. Фокальное пятно лазера может иметь круглую форму с диаметром порядка десятых долей микрометра и с очень высокой концентрацией энергии.

По применяемому активному веществу и устройству лазеры подразделяются на твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые. Прибором массового применения является полупроводниковый лазер, который называют лазерным

диодом. Он должен иметь малые размеры, низкую стоимость и длительный срок службы.

Взаимодействие лазерного луча с носителем записи обеспечивается лазерной головкой. Конструктивные особенности лазерной головки зависят от ее назначения (воспроизведение, воспроизведение и запись, стирание информации), от применяемого носителя.

Независимо от конструктивных особенностей лазерная головка содержит лазерный диод мощностью 2—10 мВт, оптическую систему для фокусировки и управления положением фокального пятна, а также светоприемники. Последние воспринимают отраженный диском свет лазера и преобразуют его в электрический сигнал. В процессе воспроизведения светоприемники служат как для выполнения основной функции-воспроизведения записи, так и для управления положением фокального пятна, а в процессе записи — только для управления положением фокального пятна.

Лазерная головка выполняет не только функции воспроизведения и записи информации, но также автотрекинг и автофокусировку.

Автотрекинг — это следящая система, поддерживающая правильное положение фокального пятна относительно дорожки записи в радиальном направлении, т.е. это система ведения фокального пятна по дорожке записи. При отсутствии такой системы малейший эксцентриситет диска или его привода неизбежно привел бы к сбою в процессах воспроизведения или записи — ведь шаг дорожек записи 0,74 мкм, а их ширина еще меньше.

Фокальное пятно необходимо не только безошибочно вести по дорожке, но и точно поддерживать постоянство расстояния между ним и фокусирующей линзой, т.е. точно поддерживать его диаметр на диске. Это обеспечивается системой автофокусировки. Ее необходимость вызвана неизбежным осевым биением диска.

Устройство CD-проигрывателя

Рассмотрим устройство аппаратуры для цифровой оптической записи и воспроизведения сигналов на примере CD-проигрывателя.

CD-проигрыватель имеет весьма сложную электронную часть, предназначенную для декодирования записанных на диск сигналов, выделения и расшифровки различных служебных кодов, разделения стереосигналов, исправления ошибок. Для этого используются несколько больших интегральных схем с десятками тысяч элементов.

На рис. представлена упрощенная структурная схема CD-проигрывателя, включающая функциональные узлы: загрузочные устройства, оптико-механический блок (ОМБ), узел систем автоматического регулирования (САР), декодер, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и контроллер управления и индикации.

Загрузочное устройство автоматически загружает компакт-диск в проигрыватель и устанавливает его на план-шайбу двигателя вращения диска. ОМБ обеспечивает вращение CD, перемещение лазерного звукоснимателя (ЛЗ) по радиусу, а также считывание информации с диска.

В CD-проигрывателях качество звучания в первую очередь зависит от того, насколько точно оптическая головка считывает с поверхности диска цифровую информацию.

САР оптимизируется расположением линз оптической головки относительно поверхности диска с помощью нескольких систем автоматики, включающих независимые сервоприводы. Одна из них точно ведет луч по звуковой дорожке, другая поддерживает фокусировку луча. Вращаясь, диск может несколько смещаться вверх или вниз реально на десятые доли миллиметра, а необходимо, чтобы расстояние между отражающей поверхностью пластинки и фокусирующим объективом сохранялось неизменным с точностью до долей микрона. За этим и следит вторая система автоматики — при малейшем смещении пластинки вверх

рис... Упрощенная структурная схема CD-проигрывателя

или вниз она немедленно в ту же сторону смещает и фокусирующий объектив. Датчиком для обеих систем автоматики служит сам фотоприемник, воспринимающий свет, — светодиод. Он секционирован и фактически представляет собой четыре самостоятельных микроскопических светоди-

ода, и все они воспринимают основной цифровой сигнал. Причем если лазерный луч точно сфокусирован, то он падает на светодиод ровным кружком и все его четыре секции получают одинаковое количество света. При расфокусировке световой круг превращается в эллипс — если расстояние между линзой и пластинкой увеличилось, эллипс вытянут в одном направлении, если расстояние уменьшилось — в другом, перпендикулярном. Система автоматически сопоставляет сигналы, полученные с каждой из четырех секций светодиода, по ним определяет, куда сместится диск, и подает команду коррекции электромагниту, перемещающему объектив.

Аналогично работает и система слежения за дорожкой. Секции светодиода получают одинаковые порции света лишь в том случае, если луч точно следует по своей дорожке. Если же он отклонился вправо или влево, то на одной из секций световой поток уменьшается, tifa другой — возрастает. Система автоматики, заметив это, тут же подает сигнал коррекции на электромагнит, который смещает фокусирующий объектив в горизонтальной плоскости.

Декодер представляет собой специализированный цифровой процессор обработки считанного с CD сигнала. В его состав входят корректор ошибок и запоминающее устройство, которое сохраняет информацию о звуке, даже если она кратковременно пропала.

Поток цифровой информации, прежде чем попасть в ЦАП, подвергается цифровой фильтрации (передискретизации). Форма цифрового сигнала становится более гладкой, приближающейся к аналоговой.

ЦАП поочередно преобразует поступающие с декодера кодовые слова левого и правого каналов в аналоговый сигнал. После преобразования цифрового сигнала необходимо отфильтровать высокочастотные составляющие, порождаемые частотой дискретизации с ее гармониками. Для этого служит фильтр нижних частот (ФНЧ). Далее напряжение подается на стереоусилитель с акустическими системами.

Контроллер управления и индикации на базе процессора обрабатывает служебную информацию, подает ее на устройство индикации, а также управляет системами в различных режимах его работы: воспроизведения, поиска, программирования и др.

При загрузке диска контроллер считывает информацию с "вводной" дорожки. Она записывается во внутреннее запо-минащее устройство, после чего слушатель может запрограммировать порядок воспроизведения фрагментов и их количество.

Применение процессора позволяет реализовать дистанционное управление CD-проигрывателем.

Однодисковый проигрыватель CD имеет тот недостаток, что часто приходится менять компакт-диск. Существенно лучшие условия создают многодисковые проигрыватели — CD-чейнд-жеры (changer) — в небольшом металлическом корпусе размещаются CD-проигрыватель и магазин на 6, 12, 18 и более компакт-дисков с возможностью их автоматической замены.